Лучевая болезнь человека. Детерминированные и стохастические, соматические и генетические эффекты облучения

Лучевая болезнь человека.
Детерминированные и стохастические,
соматические и генетические эффекты облучения
Дозовые кривые выживаемости клеток. Теория мишени.
Прямое и непрямое (косвенное) действие ионизирующих
излучений. Радиолиз воды.
А.Г. Платонов
к.б.н., доцент, ведущий научный сотрудник
кафедры биофизики Биологического ф-та МГУ
Лучевая болезнь человека.
Многообразие форм лучевой болезни человека
Лучевая болезнь человека может принимать
разнообразные клинические формы в зависимости от
конкретных условий радиационного воздействия на
организм.
Условия облучения характеризуются следующими
основными факторами:
 место расположения источника излучения по отношению к облучаемому
организму (внешнее облучение или внутреннее облучение от
инкорпорированных в организм радионуклидов);
 вид ионизирующего излучения (гамма-, бета-, альфа-излучение и др.);
 пространственное распределение дозы в организме (равномерное,
неравномерное, тотальное, субтотальное, парциальное, местное);
 временнóе распределение дозы (мощность дозы, кратковременное,
фракционированное, пролонгированное, хроническое облучение);
 доза облучения.
Основные варианты лучевой болезни человека
Различают 2 основные варианта лучевой болезни
человека:
• острая лучевая болезнь (ОЛБ);
• хроническая лучевая болезнь (ХЛБ).
Острая лучевая болезнь человека
Острой лучевой болезнью (ОЛБ) называют
совокупность клинических синдромов,
развивающихся при кратковременном (от
нескольких секунд до 3 суток) облучении в дозах,
превышающих 1 Гр на всё тело.
ОЛБ при относительно равномерном и неравномерном
общем внешнем γ-облучении человека
Острая лучевая болезнь
Острая
лучевая болезнь
от относительно
равномерного
общего облучения
«Классический» вариант ОЛБ.
Реально встречается редко.
Возникает обычно при нахождении
человека на значительном удалении
от мощного источника проникающего
ионизирующего излучения.
Острая
лучевая болезнь
от относительно
неравномерного
общего облучения
Наиболее часто встречающийся
вариант ОЛБ.
Возникает при нахождении человека
вблизи от источника ионизирующего
излучения или при экранировании
отдельных частей тела.
ОЛБ при относительно равномерном
общем облучении
В течении ОЛБ различают 3 периода:
I. Период формирования.
II. Период восстановления.
III. Период исходов и последствий.
Период формирования ОЛБ
Период формирования ОЛБ, в свою очередь, можно
разделить на 4 фазы:
 фаза первичной реакции;
 фаза кажущегося клинического благополучия
(скрытая, или латентная, фаза);
 фаза выраженных клинических проявлений (фаза
разгара болезни);
 фаза раннего (непосредственного)
восстановления.
Фазность периода формирования наиболее четко
проявляется при костномозговой форме и частично – при
кишечной форме лучевой болезни.
Фаза первичной реакции
Первичная реакция возникает в зависимости от дозы через
несколько минут или через несколько часов после облучения.
Длится от нескольких часов до 3-4 сут.
Показатели первичной реакции:
 тошнота;
 рвота (от однократной до многократной и неукротимой), особенно
после приема жидкости;
 отсутствие аппетита;
 иногда ощущение сухости и горечи во рту;
 чувство тяжести в голове, головная боль, общая слабость,
сонливость;
 шокоподобное состояние;
 падение артериального давления;
 кратковременная потеря сознания;
 понос;
 повышенная температура;
 в периферической крови в первые сутки после облучения
наблюдается нейтрофильный лейкоцитоз и лимфопения.
Фаза кажущегося клинического благополучия
Продолжительность этой фазы зависит от дозы:
• может длиться 30 суток (при дозах 1-2 Гр),
• может вообще отсутствовать (при дозах более 10 Гр).
Термин «кажущееся клиническое благополучие» применяется в данном случае
из-за отсутствия клинически видимых признаков болезни (включая улучшение
самочувствия больного), хотя целый ряд клинических признаков наблюдается
все же и в этой фазе, например:
•
в ранние сроки латентной фазы наблюдается лимфопения;
•
в средние или поздние сроки латентной фазы наблюдаются:

орофарингеальный синдром (гиперемия и эрозия слизистых
рта и глотки),

выпадение волос (при облучении в дозах не менее 4 Гр);

тромбоцитопения и нейтрофильная лейкопения;

подавление ранних стадий сперматогенеза и т.д.
Фаза выраженных клинических проявлений
В зависимости от дозы облучения может наступать либо
уже на 1-2 сутки, либо на 5-7 неделе после облучения.
Для этой фазы наиболее типичны инфекционные
осложнения и кровотечения, протекающие на фоне
глубокой нейтрофильной лейкопении и
тромбоцитопении.
При более высоких дозах – глубокие кишечные нарушения
(энтерит, парез, непроходимость), расстройства
центральной регуляции кровообращения, отек мозга.
Фаза раннего восстановления
Фаза раннего восстановления начинается с 45-50 суток после
облучения.
Показателями начала фазы раннего восстановления являются:
•
•
•
•
•
•
нормализация температуры тела;
улучшение самочувствия;
улучшение аппетита;
начало восстановление массы тела;
прекращение кровоточивости;
постепенная нормализация морфологических показателей крови
(числа лейкоцитов, тромбоцитов, эритроцитов) – у выживших она
начинается еще в фазе разгара болезни.
Продолжительность фазы раннего восстановления
составляет 2-2,5 мес.
К концу 3-го месяца от начала заболевания самочувствие больных
становится, как правило, вполне удовлетворительным.
Рост волос возобновляется к 4-му месяцу.
Сперматогенез восстанавливается к 4-6 месяцу.
Классификация ОЛБ по степени тяжести
В зависимости от поглощенной дозы излучения различают
4 степени тяжести ОЛБ от относительно равномерного
облучения:
• 1-2 Гр:
ОЛБ I степени (легкой степени),
• 2-4 Гр:
ОЛБ II степени (средней степени),
• 4-6 Гр:
ОЛБ III степени (тяжелой степени),
• свыше 6 Гр:
ОЛБ IV степени (крайне тяжелой степени).
Характеристика ОЛБ I степени (легкой)
Дозы
Клиническая
форма
1-2 Гр
Типичная,
или костномозговая,
форма
Фазность периода формирования
и общая характеристика состояния
Первичная реакция.
Наблюдается в 30-50% случаев. Начинается через 2-6
часов после облучения. Прекращается в день
облучения.
Несильная тошнота и 1-2-кратная рвота.
Температура тела – нормальная.
Латентная фаза. Длится 4-5 недель.
Фаза разгара. Наступает на 5-7-й неделе.
В фазе разгара возможны астенические явления
(повышенная утомляемость).
Изменения в периферической крови в фазе разгара:
Нейтрофилы:
1-2 тыс./мкл (в норме – 2-5,5 тыс./мкл).
Тромбоциты:
40-100 тыс./мкл (в норме – 180-320 тыс./мкл).
Фаза раннего восстановления начинается с 45-50-х
суток после облучения.
Прогноз
Как правило,
выздоровление
наступает
и без лечения.
Летальных
исходов не
наблюдается
Характеристика ОЛБ II степени (средней)
Дозы
Клиническая
форма
Фазность периода формирования
и общая характеристика состояния
Прогноз
2-4 Гр
Типичная,
или костномозговая,
форма
Первичная реакция.
Наблюдается в 70-80% случаев.
Начинается через 1-4 часа после облучения.
Продолжительность – от 4 до 10 часов.
2-3-кратная рвота. Слабость, недомогание.
Температура тела иногда повышена до 37-38ºС.
Латентная фаза. Длится 3-4 недели.
Фаза разгара. Наступает на 4-5-й неделе.
Наблюдаются кровотечения, астенический синдром
(повышенная утомляемость). Возможны
инфекционные осложнения.
Изменения в периферической крови в фазе разгара:
Нейтрофилы:
0,5-1,5 тыс./мкл (в норме – 2-5,5 тыс./мкл).
Тромбоциты:
20-40 тыс./мкл (в норме – 180-320 тыс./мкл).
Фаза раннего восстановления начинается к концу 2-го
месяца.
Возможно
выживание
до 100%
облученных
при наличии
специализированной
медицинской
помощи
Характеристика ОЛБ III степени (тяжелой)
Дозы
Клиническая
форма
Фазность периода формирования
и общая характеристика состояния
Прогноз
4-6 Гр
Типичная,
или костномозговая,
форма
Первичная реакция.
Наблюдается практически в 100% случаев.
Начинается через 30 мин. – 1,5 часа после облучения.
Продолжительность – от 12 часов до 1,5 сут.
Многократная рвота. Значительное недомогание.
Температура тела повышена до 38ºС.
Латентная фаза. Длится 1,5-3 недели. С конца 1-й
недели возможны проявления орофарингеального
синдрома (гиперемия и эрозия слизистых рта и глотки)
и эритема кожи.
Фаза разгара. Наступает на 2-5-й неделе.
Наблюдаются тяжелые инфекционные и
геморрагические осложнения.
Смерть может наступить от сепсиса, пневмонии,
кровоизлияний.
Изменения в периферической крови в фазе разгара:
Нейтрофилы:
0,1-0,5 тыс./мкл (в норме – 2-5,5 тыс./мкл).
Тромбоциты:
10-30 тыс./мкл (в норме – 180-320 тыс./мкл).
Возможно
выживание
до 30-50%
облученных
при наличии
специализированной
медицинской
помощи
Характеристика ОЛБ IV степени (крайне тяжелой)
Дозы
Клиническая
форма
Выше
Кишечно6 Гр кроветворная
форма
(6-10 Гр)
Кишечная
форма
(10-20 Гр)
Фазность периода формирования
и общая характеристика состояния
Прогноз
Первичная реакция. Развивается через 20-30 мин. Длится –
Возможно
до 3-4 сут. Многократная рвота. Значительное недомогание.
выживание
Т-ра – от 38ºС и выше.
до 10%
Латентная фаза. Нечеткая. Некоторое улучшении состояния при наличии
специализик 3-4 сут. Слабость и утомляемость. Орофарингеальный
рованной
синдром.
мед. помощи
Фаза разгара. Наступает на 8-12 сут. Кишечные нарушения
(жидкий стул). Почти полное исчезновение из крови
нейтрофилов и тромбоцитов.
Первичная реакция. Развивается через 20-30 мин. Длится –
Выживание
до 3-4 сут. Неукротимая рвота. Понос. Полуобморочное
невозможно
состояние. Т-ра – всегда выше 38ºС.
Латентная фаза. Практически отсутствует.
Фаза разгара. С 6-8 суток – резкое ухудшение (т-ра – до
39-40ºС), вновь усиливается рвота, боли в животе, понос.
Развиваются тяжелые поражения слизистой полости рта и
глотки. Резкое снижение числа нейтрофилов и тромбоцитов в
крови. Гибель на 8-15 сутки при явлениях энтерита
(воспаления), пареза (паралича) или непроходимости
кишечника, а также сердечно-сосудистой недостаточности.
Характеристика ОЛБ IV степени (крайне тяжелой)
(продолжение)
Дозы
Клиническая
форма
Фазность периода формирования
и общая характеристика состояния
Прогноз
Выше
6 Гр
Токсемическая,
или сердечнососудистая,
форма (20-80 Гр)
Первичная реакция. Развивается через 10-20 мин.
Неукротимая рвота. Понос. Полуобморочное состояние. Тра – всегда выше 38ºС.
Латентная фаза. Отсутствует.
Фаза разгара. С 2-4 сут. – общая интоксикация,
гемодинамические нарушения, слабость, головная боль,
тахикардия. С 3-5 сут. – отек мозга. Центральные
расстройства регуляции кровообращения являются
непосредственной причиной смерти, которая наступает на
4-7-е сутки. Изменения в крови иногда даже не успевают
развиться.
Выживание
невозможно
Нервная, или
После облучения возможна потеря сознания на несколько
церебральная, десятков минут, потом – неукротимая рвота и понос. Затем
форма (80-100 Гр) апатия, изменение сознания, отек мозга, прогрессирующая
гипотония.
Смерть – на 1-3-и сутки.
Изменения в крови не успевают развиться.
Выживание
невозможно
Острые лучевые поражения у человека
при неравномерном облучении
ОЛБ при относительно равномерном внешнем общем облучении у человека
встречается редко (только при взрывах атомных бомб и при некоторых
авариях).
В большинстве же реальных случаев наблюдаются многообразные варианты
неравномерного радиационного воздействия (включая аварийное и
терапевтическое облучение).
2 крайних случая неравномерного облучения
общее относительно
неравномерное облучение
Неравномерность облучения создается в
результате 1) ослабления излучения по
глубине тела человека или
2) частичного экранирования некоторых
участков тела внешними предметами.
локальное (местное) или
парциальное облучение
Неравномерность облучения создается в
результате 1) экранирования (случайного
или специального) большей части тела
или 2) локального радиационного
воздействия.
Острые лучевые поражения у человека
при локальном (местном) или парциальном облучении
Локальное или парциальное облучение вызывает, главным образом,
поражение тех жизненно-важных органов или систем, которые
подверглись наибольшему облучению.
Жизненно важные системы организма или его органы, нарушение
функционирования которых причиняет наибольший вред для
организма или его потомства в конкретных условиях лучевого
воздействия, получили название "КРИТИЧЕСКИХ".
Поэтому при локальном или парциальном облучении критическими
могут стать не органы кроветворения или слизистая кишечника,
которые являются критическими при общем облучении, а другие
органы и ткани, нарушение функционирования которых причиняет
наибольший вред в конкретных условиях лучевого воздействия.
Критическими могут быть самые различные органы и ткани, например,
кожа, сердце, легкие, хрусталик глаза и т.д.
Местные лучевые поражения руки
Эритема и отек руки через 36 ч
после гамма-нейтронного облучения (∼70 Гр).
Из книги: Радиационная медицина. Руководство для врачей-исследователей и организаторов здравоохранения. Т. 2. Радиационные поражения
человека. – М.: ИздАТ, 2001.
Местные лучевые поражения кожи ноги
Гамма-облучение большой мощности (источник находился в кармане брюк):
А – на 18-е сутки – эрозии и язвы; Б – через 8 месяцев после хирургического лечения.
Из книги: Радиационная медицина. Руководство для врачей-исследователей и организаторов здравоохранения. Т. 2. Радиационные поражения
человека. – М.: ИздАТ, 2001.
Местные лучевые поражения кисти руки
Вид ладони на 72-е сутки после
локального γ-облучения (∼ 25 Гр).
Язвенно-некротические изменения кожи
и подкожно-жировой клетчатки, других
мягких тканей пальцев и ладони,
атрофия кожи.
В дальнейшем – ампутация кисти.
Описание случая. Подросток нашел на обочине дороги блестящий, горячий на ощупь с одного конца
металлический цилиндр длиной примерно 7 см, диаметром 1,5-2 см. Этот цилиндр он передал отцу. Как
позже показало расследование на конце цилиндра был источник γ-излучения 60Co (предположительно от
аппарата для лучевой терапии).
Отец подержал этот цилиндр в руке 2-3 минуты, рассматривал, после чего отбросил.
Довольно быстро почувствовал жжение в пальцах и ладони. Через 15 мин отметил тошноту,
головокружение, через 1-1,5 ч была рвота 4-5 раз, появилась головная боль, головокружение, общая
слабость. На 2-е сутки в пальцах руки возникла сильная боль, жжение и отек ладони. На 3-и сутки –
появились обширные пузыри. Через 10 суток пузыри вскрыли в лечебном учреждении по месту
жительства. В последующие дни произошел некроз поверхностных слоев мягких тканей, в результате
чего произошло отхождение дермы и ногтевых пластинок «перчаткой». Лечился самостоятельно
(мазевые повязки), без улучшения.
На 72 сутки госпитализирован в специализированную больницу.
Из книги: Радиационная медицина. Руководство для врачей-исследователей и организаторов здравоохранения. Т. 2. Радиационные поражения
человека. – М.: ИздАТ, 2001.
Местные лучевые поражения кожи и груди
Вид пораженной груди на 5-е сутки после
облучения (> 100 Гр)
Лучевой некроз левой молочной железы – сухая
гангрена (через 2 месяца)
Описание случая. Аварийная ситуация возникла при проведении радиотерапии (тормозное излучение с
энергией 15 МэВ) после резекции левой молочной железы по поводу рака. Произошло
неконтролируемое значительное увеличение мощности дозы. Локальная расчетная доза на левую грудь
была значительно больше 100 Гр.
Из книги: Радиационная медицина. Руководство для врачей-исследователей и организаторов здравоохранения. Т. 2. Радиационные поражения
человека. – М.: ИздАТ, 2001.
Местные лучевые поражения при облучении
половых желез
Облучение мужских половых желез вызывает появление стерильности.
Порог мужской стерильности очень низкий – в области 0,15 Гр. Это
связано с очень высокой радиочувствительностью клетокпредшественников сперматозоидов.
Однако, примерно до 3 Гр мужская стерильность носит обратимый
характер (в течение нескольких месяцев, т.к. срок развития зрелых
сперматозоидов составляет 10 недель) и лишь при дозах 3,5-6 Гр
возникает необратимая стерильность.
При облучении женских половых желез стерильность развивается
начиная с 2,5-6 Гр, но имеет исключительно необратимый характер.
Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ) человека. Определение
Хронической лучевой болезнью (ХЛБ) называют
клинический синдром, развивающийся при
длительном воздействии на организм
ионизирующего излучения в дозах,
превышающих 0,1 Гр в год и суммарно
достигающих не менее 0,7-1,5 Гр.
Сроки развития хронической лучевой болезни
варьируют от 1 до 10 лет.
ХЛБ человека. Синдромы
Ведущим синдромом ХЛБ в периоде ее формирования является
костномозговой синдром, проявляющийся в снижении числа
нейтрофилов, лимфоцитов, тромбоцитов и при относительно высокой
мощности дозы – эритроцитов. В ХЛБ выделяют 4 степени тяжести в
зависимости от количества этих клеток в крови и состояния системы
кроветворения.
Наряду с костномозговым синдромом в периоде формирования ХЛБ
характерными также являются изменения в нервной системе,
проявляющиеся в нарушении нервно-сосудистой регуляции, головных
болях, головокружениях, астеническом синдроме (повышенной
утомляемости, общей слабости, сонливости), треморе пальцев и других.
Ведущими причинами смерти при ХЛБ являются злокачественные
новообразования. Наиболее часто встречаются злокачественные
опухоли кожи и костей, рак молочной и щитовидной железы, яичников,
легких, а также лейкозы.
Отдаленные последствия облучения
Не надо путать ХЛБ и отдаленные последствия облучения.
Отдаленные последствия облучения могут возникать как при ОЛБ, так
и при ХЛБ.
К отдаленным последствиям облучения относятся следующие
эффекты:
1). Сокращение продолжительности жизни.
2). Радационная катаракта.
3). Фиброз.
4). Возникновение злокачественных образований.
5). Наследственные заболевания и уродства, возникающие в потомстве
облученных родителей.
Терапия острой лучевой болезни
Основное направление в терапии ОЛБ – это борьба с проявлениями
костно-мозгового синдрома.
Поэтому первое, что следует предпринять – это оценить, хотя бы
ориентировочно, дозу облучения, т.к. сложные терапевтические
мероприятия может быть вообще не нужны, если доза весьма низкая, и,
напротив, доза настолько высока, что никакая терапия не поможет.
Если полученная больным доза соответствует дозовому диапазону
костно-мозговой формы ОЛБ или смешанной кроветворно-кишечной
формы ОЛБ, то есть вполне определенная вероятность (либо весьма
высокая, либо низкая) благоприятного исхода при осуществлении
специализированной медицинской помощи.
Общие принципы терапии ОЛБ
Главная задача терапии ОЛБ – продлить период, в течение которого организм
будет продолжать жить (несмотря на минимальное число функциональных
клеток в периферической крови) до тех пор, пока не произойдет хотя бы
частичное восстановление системы кроветворения.
Восстановление системы кроветворения и, соответственно, исход костномозговой формы ОЛБ в первую очередь зависит от количества сохранивших
жизнеспособность кроветворных стволовых клеток.
Даже после общего облучения в дозе 10 Гр сохранившиеся в организме
кроветворные стволовые клетки способны обеспечить восстановление
кроветворения.
НАДО ТОЛЬКО ПОМОЧЬ ОРГАНИЗМУ ПРОДЕРЖАТЬСЯ довольно длительный
промежуток времени.
Это время нужно для того, чтобы из малого числа оставшихся стволовых клеток
образовался пул такого размера, который позволит части стволовых клеток
начать дифференцировку с образованием клеток-предшественников различных
ростков кроветворения, которые, в свою очередь, дадут начало клеткам сначала
пролиферирующего, затем созревающего и, наконец, функционального пула.
Основные методы терапии острой лучевой болезни
Облучение
Первичные нарушения
в организме (поражение
системы кроветворения и
обеднение периферической
крови форменными
элементами)
Вторичные нарушения
в организме
(инфекционные
осложнения и
кровотечения)
Гибель организма
Восстановление
организма
Терапевтические мероприятия



Заместительная
терапия:






трансфузия нейтрофилов,
трансфузия тромбоцитов,
трансфузия эритроцитов (при анемии, обычно возникающей при обильных
кровопотерях),
мероприятия, направленные на ускорение восстановления костного мозга (введение
цитокинов – низкомолекулярных регуляторных белков),
трансплантация костного мозга (только аутологичного [собственного костного
мозга, взятого перед облучением] или изологичного [от однояйцового близнеца]),
переливание солевых растворов и глюкозы для компенсации утраты воды и
электролитов, сопровождающей поражение кишечника,
введение одновременно или последовательно нескольких антибиотиков широкого
антибактериального действия (аминогликозиды, цефалоспорины,
полусинтетические пенициллины) в максимальных дозировках (раннее назначение
антибиотиков наиболее эффективно),
введение средств, уменьшающих побочное действие антибиотиков.
неклеточные средства, увеличивающие свертываемость крови и прочность
капилляров (эригем, дицинон и др.).
Детерминированные и стохастические,
соматические и генетические
эффекты облучения
Детерминированные и стохастические эффекты облучения.
Определения
Детерминированные (нестохастические) эффекты облучения
(детерминированный – определенный, причинно обусловленный
предшествующими событиями; от лат. determino – определяю) –
биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением в
облученном организме, которые возникают при достижении
определенного дозового порога, а выше дозового порога вероятность
их появления и степень проявления (т.е. тяжесть) увеличиваются с
дальнейшим повышением дозы.
Стохастические эффекты облучения (стохастический – случайный,
вероятностный; от греч. stochastikós – умеющий угадывать) –
биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением в
облученном организме или его потомстве, не имеющие дозового порога
возникновения, вероятность появления которых увеличивается при
повышении доз, а тяжесть проявления не зависит от дозы.
Детерминированные эффекты облучения. Примеры
Детерминированные эффекты облучения возникают, главным образом, в
результате гибели клеток, приводящей к нарушению функции ткани, которую они
составляют.
К ним относятся, в частности, непосредственные проявления острого лучевого
поражения, радиационные синдромы, нарушение репродуктивной функции,
поражение кожи, возникновение катаракты.
Наблюдаются в основном в ближайшие сроки после облучения, реже – в
отдаленные сроки (например, катаракта).
Порог для разных детерминированных эффектов может наблюдаться при дозах
от 0,1 Гр до нескольких десятков грей.
Так, например, порог временной (обратимой) стерильности мужчин при
однократном облучении семенников составляет около 0,15 Гр, а порог
постоянной (необратимой) стерильности – 3,5-6 Гр. Порог для постоянной
стерильности женщин при остром облучении – 2,5-6 Гр.
Порог возникновения катаракты у человека при остром воздействии γ- или
рентгеновского излучения лежит в диапазоне 2-6 Гр; для нейтронного излучения
порог в 3-9 раз ниже.
Порог достоверного подавления кроветворения в красном костном мозге
человека при остром облучении наблюдается при 0,15 Гр.
Стохастические эффекты облучения. Примеры
Стохастические эффекты облучения возникают в результате мутагенного
действия ионизирующего излучения, т.е. когда клетка под действием излучения
не погибает, но в ней происходит повреждение генома.
Стохастические эффекты облучения могут возникать как в самом облученном
организме, так и у потомства облученного организма.
К стохастическим эффектам облучения относятся радиоиндуцированные
опухоли, возникающие в различных тканях облученного организма. Наиболее
часто встречаются злокачественные опухоли кожи, костей, молочной и
щитовидной желез, яичников, легких, а также лейкозы.
Стохастические эффекты возникают через длительное время после облучения,
т.е. являются отдаленными последствиями облучения.
Поскольку существуют механизмы клеточного восстановления, стохастические
эффекты при малых дозах маловероятны, однако с увеличением дозы
облучения их вероятность возрастает. Тяжесть же этих эффектов не зависит от
дозы.
Лучевые изменения половых клеток могут привести к возникновению
стохастических эффектов в виде наследственных болезней или уродств у
потомства облученного организма.
Соматические и генетические эффекты облучения.
Определения
Соматические эффекты облучения (от греч. sṓma – тело) – вредные
биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением в
соматических (т.е. не половых) тканях облученного организма.
Могут быть как детерминированными, так и стохастическими, как ранними
(проявления острой лучевой болезни и локальные лучевые повреждения), так и
отдаленными (сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей,
катаракты и др.).
Генетические (наследственные) эффекты облучения – вызванные
ионизирующим излучением биологические эффекты, обусловленные
повреждением генома (появление доминантных и рецессивных генных мутаций)
половых клеток облученного организма и проявляющиеся у его потомства.
Относятся к стохастическим эффектам облучения. Могут быть как
неблагоприятными (вредными), так и благоприятными (полезными).
Полезные генетические эффекты используют для выведения более
продуктивных штаммов микроорганизмов и сортов растений.
Как соотносятся между собой детерминированные и стохастические,
соматические и генетические эффекты
Генетические эффекты облучения у человека
До настоящего времени не найдены радиационно-индуцированные наследственные
эффекты в потомстве облученных людей (включая пострадавших от атомных
бомбардировок в Японии, от радиационных воздействий на Южном Урале и в результате
Чернобыльской аварии).
Весь прогноз наследственных заболеваний (т.н. генетического риска) у человека пока
целиком основан на экстраполяции результатов опытов на животных.
В ряду дрозофила – мышь – человек выход мутаций на единицу дозы, максимально
выраженный у дрозофилы, резко снижается у мыши и практически нивелируется у
человека.
По-видимому, это связано с тем, что по мере эволюции степень эффективности
механизма репарации повышалась и достигла максимума у человека.
Повышению эффективности репарационных процессов, вероятно, способствует и
фактор времени – т.е. удлинение всех жизненных циклов у человека (в том числе,
сперматогенеза и эмбрионального развития).
Тем не менее, удваивающая доза (т.е. доза, при которой число радиационноиндуцированных мутаций равно числу спонтанных мутаций в одних и тех же генах) для
человека принята равной 1 Гр (путем экстраполяции данных, полученных для мышей).
В качестве интервала времени между облучением и оплодотворением, доста-точного
для максимального снижения генетических последствий у человека, принят срок 6 мес.
(также путем экстраполяции данных, полученных для мышей, для которых он равен 2
мес.). Это всегда принимается во внимание при медицин-ском облучении человека, когда
в поле воздействия могут попасть гонады.
Дозовые кривые выживаемости клеток.
Теория мишени.
Кривые выживаемости клеток
Кривые выживаемости культивируемых клеток в обычных (т.е.
линейных) координатах, в которых по оси абсцисс откладывается доза
облучения, а по оси ординат – доля выживших клеток, могут выглядеть
следующим образом:
1,0
( N|N0)
( N|N0)
1,0
0,9
0,8
0,7
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0
До
з
а
До
л
яв
До
л
яв
0,6
0
До
з
а
Сравнение кривых выживаемости клеток при действии ядов и
ионизирующего излучения
Наличие подобного рода зависимости выживаемости
клеток от дозы облучения было продемонстрировано еще в
20-е годы ХХ в.
При этом уже в то время было отмечено, что кривые
выживаемости клеток после воздействия излучения
отличаются от кривых выживаемости клеток после
воздействия каких-либо токсических агентов химической
природы, например ядов:
Кривая выживаемости клеток при действии ядов
Кривые выживаемости клеток, получаемые при
действии химических агентов, характеризуются
наличием пороговой концентрации, ниже которой все
клетки выживают, а выше которой происходит резкое
снижение доли выживших.
Переход от 100%-ной выживаемости до нулевой
выживаемости происходит в очень узком диапазоне
концентраций.
Тот факт, что часть клеток гибнет, а другая часть
клеток выживает при какой-либо концентрации внутри
этого узкого концентрационного диапазона,
объясняют обычно с т.н. «биологических» позиций, а
именно исходя из наличия индивидуальных различий
клеток в клеточной популяции, подвергнутой этому
воздействию.
Чем меньше выражены индивидуальные различия, тем круче наклон кривой
выживаемости, т.е. быстрее переход выживаемости от 100% до 0%.
Ясно, что популяция генетически однородных клеток не может иметь клеток, сильно
различающихся по чувствительности к какому-либо воздействию.
Форма кривых выживаемости клеток при действии излучения не может
быть объяснена индивидуальными различиями клеток
На кривых выживаемости клеток, подвергнутых
облучению, отсутствует четкий порог: гибель
части клеток наблюдается даже при очень низких
дозах облучения, а гибель другой части клеток той
же популяции – лишь при значительно более
высоких дозах.
Объяснить этот феномен с «биологических»
позиций (т.е. исходя из индивидуальных различий
клеток к облучению) было невозможно, т.к. внутри
генетически однородной популяции не могут
находиться клетки, различающиеся по
устойчивости к облучению в сотни и тысячи раз.
Поэтому в 20-е годы прошлого века в противовес «биологическому» подходу
сформировался «физический» (или «биофизический») подход к объяснению и
интерпретации кривых выживаемости клеток, подвергнутых действию ионизирующего
излучения.
Теория «точечного тепла». Основные положения
В основе «биофизического» направления лежала «теория точечного тепла»,
разработанная Дессауэром (Dessauer) в 1922 г. Эта теория опиралась на
следующие основные идеи:
1. Несмотря на то, что плотность поглощенной энергии в облучаемом объекте
в среднем очень низкая, энергия самих актов поглощения весьма велика и
поэтому в микрообъемах вещества, в которых произошли акты поглощения
энергии, происходит его локальное нагревание (т.е. появление т.н.
«точечного тепла»), в результате чего вещество претерпевает значительные
локальные изменения, обусловленные разрывом химических связей или
активацией химических реакций.
2. Пространственное распределение мест локализации «точечного тепла»
внутри облученной клетки имеет случайный характер, т.е является чисто
статистической (т.е. вероятностной) функцией.
3. Клетка гетерогенна (т.е. неоднородна) по своему объему в
отношении чувствительности к облучению и имеет как
исключительно важные для жизни области, повреждение которых
приводит клетку к гибели, так и области, относительно
несущественные для выживания клетки.
Форма кривых выживаемости клеток при действии излучения
объясняется вероятностным характером действия излучения на
жизненно важные области клетки
Т.о. теория «точечного тепла» заявила, что конечный эффект в клетке
(например, гибель) определяется вероятностью осуществления акта
поглощения энергии (т.е. появления «точечного тепла») в жизненно важных
областях (микрообъемах) клетки.
При увеличении дозы облучения вероятность осуществления акта поглощения
энергии в этих клеточных областях возрастает, при снижении дозы –
уменьшается.
Однако, даже при очень высокой дозе облучения существует определенная
вероятность того, что в каком-то количестве клеток не произошло актов
поглощения энергии в жизненно важных клеточных областях и поэтому эти
клетки останутся неповрежденными облучением.
И наоборот – даже при очень низкой дозе существует вероятность того,
что в каком-то количестве клеток произойдут акты поглощения энергии в
жизненно важных клеточных областях, что вызовет гибель этих клеток.
Фридрих Дессауэр (1881-1963)
Фридрих Дессауэр (Friedrich Dessauer, 1881-1963) –
известный немецкий физик, биофизик,
изобретатель, предприниматель, публицист,
философ, политический деятель.
В 1921 г. основал Институт физических основ
медицины в г. Франкфурт-на-Майне. Главная цель
института – изучение возможности медицинского
применения излучений, в частности X-лучей. Этот
институт стал ведущим исследовательским
центром в области исследования биологического
действия ионизирующего излучения.
В 1922 г. сформулировал теорию «точечного тепла»
(или «точечного нагрева»), объясняющую
поражение клетки ионизирующим излучением,
исходя из дискретной природы излучения и
вероятностного характера взаимодействия
излучения с веществом. Данную теорию
рассматривают в качестве важной вехи в развитии
радиобиологии, знаменующей начало второго
этапа ее развития – этапа количественной
радиобиологии.
Два фундаментальных положения в радиобиологии
В 20-30-е годы прошлого столетия основные идеи теории «точечного
тепла» получили дальнейшее развитие в работах таких исследователей,
как:
•
Дж. Кроутер (J.A. Crowther; в русскоязычной литературе встречаются
также и другие варианты написания фамилии этого исследователя —
Краузер, Кроузер),
•
Д. Ли (D.E. Lea),
•
К. Циммер (K.G. Zimmer)
•
Н.В. Тимофеев-Ресовский
В результате этих работ была сформулирована т.н. «теория мишени», в
основе которой лежали два фундаментальных положения:
• принцип попадания и
• принцип мишени.
Принцип попадания
Принцип попадания может быть сформулирован следующим образом:
Поглощение энергии в облучаемом объеме происходит в
результате дискретных актов взаимодействия квантов
излучения с веществом – т.н. «попаданий», пространственное
распределение которых в облучаемом объеме имеет случайный
характер.
Таким образом, «принцип попадания» отмечает дискретность и
вероятностный (случайный) характер актов взаимодействия излучения
с веществом.
Фактически попаданием считается возникновение акта ионизации какихлибо молекул в облучаемом объеме.
Принцип мишени
Принцип мишени может быть сформулирован следующим образом:
Клетка имеет в своем составе как исключительно важные для
выживания области – т.н. «мишени», радиационное
повреждение которых приводит клетку к гибели, так и области,
относительно несущественные для выживания клетки.
Таким образом, «принцип мишени» отмечает биологическую
гетерогенность различных областей (микрообъемов) внутри клетки в
отношении чувствительности к облучению, а именно, наличие внутри
клетки «мишеней» – чувствительных областей, радиационное
повреждение которых приводит клетку к гибели.
Мишени:
какие они могут быть и сколько их может быть в клетке?
Чисто теоретически можно представить, что могут существовать:
одноударные мишени (когда мишень считается пораженной при
одном попадании) и
многоударные мишени (когда мишень считается пораженной при 2,
3, 4, …, n попаданиях).
Можно также предположить наличие в клетке:
только одной мишени (одномишенная клетка)
или нескольких мишеней (многомишенная клетка)
Причем гибель многомишенной клетки может наступить лишь после
того, как все мишени получат определенное число попаданий (при этом
каждая из этих мишеней может отличаться по ударности).
Простейшие модели, описывающие кривые выживаемости
Для описания кривых пострадиационной выживаемости клеток
используют различные математические модели.
Двумя простейшими моделями, описывающими кривые
пострадиационной выживаемости клеток и базирующимися на теории
мишени, являются:
Многоударная-одномишенная модель
Одноударная-многомишенная модель
Имеет ли смысл использовать более сложные
многоударные-многомишенные модели?
Использовать другие более сложные многоударные-многомишенные
модели (основанные на теории мишени) весьма ненадежно, т.к. по
форме кривых выживаемости невозможно сделать однозначный
вывод об ударности и мишенности объекта. Практически
одинаковые по форме кривые выживаемости можно получить
варьируя число мишеней и их ударность.
Так, например, кривая выживаемости для 10-ударных-16-мишенных
объектов очень хорошо совпадает с кривой выживаемости для 48ударных-1-мишенных объектов.
Кроме того, теория мишени не учитывает наличия в клетке
репарационных процессов, которые существенно затрудняют
интерпретацию кривых выживаемости только с позиций мишенности
и ударности объекта.
Одноударная-многомишенная модель — чисто формальное
использование
На практике во многих случаях для описания
кривых выживаемости клеток чисто
формально используется одноударнаямногомишенная модель.
Одноударная-многомишенная кривая (1)
Исходные допущения для одноударной-многомишенной модели:
Каждая клетка имеет n одинаковых мишеней.
Для поражения каждой из n мишеней необходимо 1 попадание в эту мишень.
Клетка погибает при поражении всех n мишеней.
1
( N /N0)
•
•
•
Кривая
выживаемости
в общем виде
имеет плечо
0,1
До
л
яв
0,01
0
До
з
а
Кривая выживаемости для такой
модели описывается следующим
уравнением:
(
)
n
N
− kD
=1 − 1 − e
N0
где N0 – исходное количество клеток;
N – количество клеток, выживших
после облучения в дозе D;
k – коэффициент;
n – число мишеней.
Выживаемость клеток представляют обычно не в линейных координатах, а в
полулогарифмических координатах (с использованием логарифмической шкалы
ординат). По оси абсцисс – доза, а по оси ординат (в логарифмическом масштабе) – доля
выживших клеток.
Какие клетки считаются выжившими?
Выжившими считаются клетки, непотерявшие клоногенной способности.
Под клоногенной (т.е. колониеобразующей) способностью понимают
способность клетки образовать видимую невооруженным глазом колонию. За
такую колонию принимают колонию, состоящую из более чем 50 клеток
(ориентировочно – это колония диаметром 0,5 мм).
Для образования такой колонии клетка должна совершить не менее 5-6
успешных делений, т.е. таких делений, в результате которых образуются
дочерние клетки также способные к делению. (После 5 делений образуется
25=32 клеток, а после 6 делений – 26=64 клетки)
Учет выживаемости культивируемых клеток грызунов обычно проводят через
5-8 дней их роста после облучения, а для культивируемых клеток человека –
через 2 недели. Разные сроки связаны с разной длительность клеточного
цикла. Например, для часто используемых в экспериментах клеток HeLa (клетки
карциномы шейки матки человека) длительность клеточного цикла – 24 часов, а
для клеток V79 (фибробласты легких китайского хомячка) – 11 часов.
Одноударная-многомишенная кривая (2)
(
)
n
N
kD
−
При D → ∞ уравнение
=1 − 1 − e
N0
N
преобразуется в следующее:
= ne− kD
N0
После логарифмирования получаем:
N
ln
=
−kD + ln n
N0
( N /N0 )
Т.о., при D → ∞ кривая выживаемости в полулогарифмическом масштабе
асимптотически приближается к прямой линии, наклон которой равен k.
n
10
Значение ординаты n точки
Кривая выживаемости
в общем виде имеет
пересечения экстраполированного
плечо и прямолинейный
участка этой прямой с осью ординат
1
участок
называют экстраполяционным
числом.
0,1
До
л
яв
0,01
0
До
з
а
Как ясно видно из уравнения,
описывающего эту прямую,
экстраполяционное число равно
числу мишеней.
Одноударная-одномишенная кривая – частный случай одноударноймногомишенной кривой
(
Если число мишеней n=1, то уравнение
преобразуется в следующее:
)
n
N
− kD
=1 − 1 − e
N0
N
= e− kD
N0
После логарифмирования получаем:
N
ln
= −kD
N0
( N /N0)
1
Кривая выживаемости
без плеча (т.е.
представляет собой
прямую линию)
0,1
Т.о., видно, что кривая выживаемости, не
имеющая плеча, является частным
случаем, для варианта, когда и число
мишеней n=1, и ударность мишени тоже
равна 1.
Ясно, что экстраполяционное число n для
этого варианта равно 1.
До
л
яв
0,01
0
До
з
а
Параметры, характеризующие кривые выживаемости с «плечом»
Для описания кривой выживаемости,
имеющей плечо, используются
параметры:
n
1
0,1
До
л
яв
ыжи
в
1. n – экстраполяционное число –
определяется как значение ординаты
точки пересечения
экстраполированного прямолинейного
участка кривой выживаемости с осью
ординат (для одноударноймногомишенной клетки n показывает
кол-во мишеней, а для многоударнойодномишенной клетки – кол-во
попаданий необходимых для
поражения);
10
0,01
Dq D37
0
e
D0
До
з
а
2. Dq – доза, соответствующая точке пересечения экстраполированного прямолинейного
участка кривой выживаемости с прямой параллельной оси абсцисс, проведенной на
уровне 100%-ной выживаемости (Dq характеризует величину плеча);
3. D0 – определяется как прирост дозы, при котором выживаемость снижается в е раз на
прямолинейном участке кривой выживаемости;
4. D37 – доза, при которой выживает 37% облученных клеток.
Взаимосвязь D0, Dq и n
Параметры D0, Dq и n связаны друг с другом следующим соотношением:
D0 =
Dq
ln n
Параметры, характеризующие кривые выживаемости без «плеча»
( N /N0)
1
Для описания кривой
выживаемости, не имеющей плеча,
используется величина:
уменьшение числа выживших
клеток в e раз
0.37
D0
•
0,1
•
До
л
яв
ыжи
в
0,01
0
D0 = D37
доза D0, которая определяется как
доза, при которой выживаемость
уменьшается в e раз;
или доза D37 – доза, при которой
выживает 37% облученных клеток.
До
з
а
о
б
л
у
ч
е
н
и
я
Для кривых выживаемости, не имеющих плеча, D0 = D37, что следует из
следующих расчетов:
N 1
1
= =
= 0,368 ≈ 0,37.
N 0 e 2, 718
Таким образом, при уменьшении выживаемости в e раз от исходного уровня (т.е.
при облучении в дозе D0) выживаемость составит 37%, т.е. D0=D37.
От чего зависит наличие «плеча» на кривых выживаемости клеток?
Итак, в общем виде кривая выживаемости клеток в полулогарифмическом
масштабе состоит из двух участков:
1) «плеча» и
2) прямолинейного участка.
Величина «плеча» зависит от
1) типа клеток и
2) вида излучения.
Плечо
( N /N0)
1
0,1
До
л
яв
0,01
0
До
з
а
Прямолинейный участок
О чем говорит наличие плеча и величина Dq?
В соответствии с теорией мишени и принципом попадания наличие
плеча говорит о том, что для поражения объекта недостаточно одного
попадания. Это может наблюдаться, когда:
•
либо объект является многомишенным,
•
либо мишень является многоударной.
Однако, в соответствии с современными представлениями наличие
плеча трактуется больше как свидетельство протекания в клетке
восстановительных (репарационных) процессов, а не как наличие
многоударности или многомишенности. Причем величину Dq
используют в качестве показателя способности клетки осуществлять
репарационные процессы: чем больше значение Dq (т.е. чем больше
плечо), тем выше репарационная способность клетки.
Зависимость наличия «плеча» от вида ионизирующего излучения
• Кривые выживаемости клеток, имеющие четко
выраженное «плечо», могут наблюдаться только при
облучении редкоионизирующим излучением (т.е.
рентгеновским или γ-излучением).
• При облучении плотноионизирующим излучением
кривые выживаемости имеют слабовыраженное плечо
или вовсе его не имеют (например, в случае α-излучения).
Это связано с тем, что при действии
плотноионизирующего излучения образуются в
основном двунитевые разрывы ДНК, которые являются
нерепарабельными (или плохорепарабельными)
повреждениями (даже при наличии в клетке
репарационных процессов).
Зависимость наличия плеча от облучаемого объекта
• Если кривые выживаемости клеток после облучения
редкоионизирующим излучением не имеют плеча, значит
эти клетки не обладают репарационной способностью.
• Плечо не наблюдается при облучении
редкоионизирующим излучением вирусов и
макромолекул, в частности ферментов (т.к. они не
обладают репарационной способностью).
Молекулы ДНК – основная клеточная мишень для ионизирующего
излучения
Что же является основной клеточной мишенью при действии радиации?
Основной мишенью в клетке является клеточное ядро (а точнее – молекулы
ДНК). [Второй по значению мишенью в клетке, как считают некоторые исследователи,
являются мембраны].
Тот факт, что ядро является основной мишенью было доказано в следующих
экспериментах:
Эксперименты по определению размеров
мишени в клетке
Размер клеточной мишени совпадает с
размером клеточного ядра
Эксперименты по локальному облучению
различных областей клетки
Облучение клеточного ядра приводит к
гибели клетки; при облучении других
клеточных областей гибель клетки
происходит при значительно более
высоких дозах
Прямое и непрямое (косвенное) действие
ионизирующих излучений. Радиолиз воды.
Теория мишени - так ли всё в действительности?
В 30-е гг. прошлого века теория мишени, базирующаяся на
двух основополагающих принципах – принципе попадания и
принципе мишени, получила широкое распространение,
применение и признание среди биологов и физиков,
занимающихся изучением воздействия ионизирующих
излучений на живые организмы и органические молекулы.
Однако, уже в эти же 30-е годы и особенно в 40-е годы в
научной литературе стали появляться результаты
экспериментов, которые не находили объяснения с позиций
теории мишени, а именно с позиций принципа попадания,
т.е. идеи о том, что для поражения какой-либо молекулы
необходимо осуществление акты взаимодействия (т.е.
попадания) с ней ионизирующей частицы или кванта.
Эксперимент Фрикке
Фрикке (Hugo Fricke) в середине 1930-х гг.
обнаружил, что облучение (X-лучами)
водных растворов муравьиной к-ты
приводит к разрушению муравьиной к-ты с
образованием молекулярного водорода и
двуокиси углерода по следующей реакции :
HCOOH → CO2 + H2
При этом оказалось, что облучение
растворов с конц-ей муравьиной к-ы 10-4
(черные кружки) и 10-1 М (светлые кружки)
приводит к разрушению одного и того же
числа молекул муравьиной к-ты, т.е. число
разрушенных молекул муравьиной к-ты не
зависит от исходной конц-ии муравьиной
кислоты.
С позиций теории мишени число
разрушенных молекул муравьиной к-ты при
облучении раствора с конц-ей 10-1 М должно
быть выше чем при облучении раствора с
конц-ей 10-4 М.
Эксперименты Дейла
В первой половине 1940-х гг. аналогичные экспериментальные данные
были получены Уолтером Дейлом (Walter Dale) при облучении
разбавленных растворов различных ферментов, в частности
карбоксипептидазы.
В этих экспериментах было показано, что число инактивированных
облучением молекул фермента не зависит от исходной концентрации
фермента в некотором концентрационном диапазоне (в области низких
конц-ий).
Этот эффект получил название «эффект разведения», или «эффект
Дейла».
Прямое и непрямое (косвенное) действие
ионизирующих излучений
В результате исследований Фрикке,
Дейла и других исследователей
было установлено, что в основе
повреждающего действия радиации
на органические молекулы, в
частности на такие жизненно важные
молекулы (ЖВМ), как ДНК, белки,
липиды и др., могут лежать 2
механизма.
H 2O
1-й механизм обусловлен повреждением молекулы в результате
непосредственного взаимодействия излучения с этой молекулой (это
механизм получил название «прямое действие»).
2-й механизм обусловлен повреждением молекулы, осуществляемым
активными продуктами, образовавшимися из молекул H2O в результате
их непосредственного взаимодействия с излучением. Таким образом, в
этом случае повреждение ЖВМ происходит в результате непрямого
(косвенного) действия излучения.
Прямое действие излучения
При прямом действии излучения с ростом концентрации
растворенных молекул (т.е. с увеличением количества мишеней)
число пораженных молекул (мишеней) должно возрастать
вследствие повышения вероятности попадания в них кванта
излучения.
При этом доля пораженных молекул (от исходной концентрации)
должна оставаться неизменной.
Непрямое (косвенное) действие излучения
При непрямом действии излучения лимитирующим параметром для
появления поврежденных молекул в некотором концентрационном
диапазоне является не исходная концентрация растворенного вещества,
а количество образовавшихся при данной дозе облучения активных
продуктов радиолиза воды. Поэтому, начиная с какой-то концентрации
растворенного вещества, дальнейшее увеличение концентрации не
приводит к росту числа пораженных молекул.
Доля пораженных молекул при непрямом действии излучения
снижается с увеличением исходной концентрации этих молекул.
Непрямое действие преобладает только
в разбавленных растворах
Иными словами отсутствие зависимости числа поврежденных
молекул от концентрации растворенных молекул объясняется
тем, что, начиная с какой-то концентрации, не всем растворенным
молекулам «достаются» активные продукты радиолиза воды,
образующиеся в определенном количестве при данной дозе
облучения.
Повышение же числа поврежденных молекул при больших
исходных концентрациях растворенных молекул (изображено на
рисунке пунктиром) связано с тем, что здесь заметный вклад в их
повреждение начинает вносить прямое действие излучения.
Таким образом, что непрямое действие излучения преобладает
только в разбавленных растворах.
Сравнение радиационных эффектов
при облучении макромолекул в растворенном и
сухом состоянии
В качестве критерия для оценки вклада прямого и
непрямого действия излучения на какие-либо органические
соединения и макромолекулы используют сравнение
эффективности облучения этих объектов в растворенном и
сухом состоянии.
Если в растворенном состоянии эти объекты становятся
значительно более чувствительными к облучению, то
считают, что существенный вклад в их повреждение вносят
продукты радиолиза воды.
В растворенном состоянии макромолекулы обычно
более радиочувствительны, чем сухом состоянии
Обычно в растворенном в воде
состоянии макромолекулы на
несколько порядков более
чувствительны к облучению, чем в
сухом состоянии.
Например, доза D37 при облучении
РНК-азы γ-излучением 60Со составляет
42 Мрад в сухом состоянии и
0,42 Мрад в водном растворе, т.е.
различается в 100 раз.
Это говорит о том, что в водном
растворе только примерно 1%
молекул РНК-азы инактивируется
непосредственно за счет поглощения
энергии излучения, тогда как 99%
инактивируются продуктами
радиолиза воды.
Соотношение прямого и непрямого действия
излучения в клетке
Представления о вкладе непрямого действия излучения в лучевое
поражение клетки существенно трансформировались со времени их
возникновения в 40-е годы прошлого века.
В настоящее время считается, что на уровне клетки во многих
радиобиологических эффектах непрямое действие радиации играет
столь же существенную роль, как и прямое действие.
И даже более того, вклад непрямого действия ионизирующего
излучения в отношении появления радиационных повреждений таких
критических клеточных структур, как молекулы ДНК, достигает 70-90%.
Открытие непрямого действия излучения стало очень важной вехой в
понимании механизмов биологического действия ионизирующих
излучений и стало основой для становления новых направлений
радиобиологических исследований, в частности такого важного
раздела радиобиологии, как химическая противолучевая защита.
Рассмотрим теперь основные активные продукты,
образующиеся при радиолизе воды и
обеспечивающие осуществление непрямого
действия ионизирующего излучения.
Радиолиз воды (1)
I. Если энергия кванта ионизирующего излучения составляет
более 12,56 эВ, происходит ионизация молекулы воды:
hν > 12 , 56 эВ
+
H 2 O   
→ H 2 O + e
−
т.е. из молекулы воды выбивается электрон.
Образовавшийся положительный ион воды взаимодействует с
молекулой воды с образованием иона гидроксония и
гидроксильного радикала:
+
+
•
2
2
3
H O + H O → H O + OH
а электрон взаимодействует с молекулой воды с образованием
гидроксильного иона и радикала водорода:
−
−
e + H 2 O → OH + H
•
Что такое свободные радикалы?
Свободные радикалы – это нейтральные частицы
(молекулы или осколки молекул), которые содержат по
крайней мере один непарный (часто говорят –
неспаренный) электрон на внешней электронной оболочке.
Имея неспаренный электрон, такие частицы стремятся
заполнить электронную оболочку еще одним электроном,
отняв его у других молекул.
Именно поэтому свободные радикалы являются обычно
очень реакционноспособными.
Гидратированный электрон
Электрон может также стабилизироваться до относительно
долгоживущего состояния, известного под названием
«гидратированный электрон» (е–aq, или e–гидр), путем структурирования
окружающих его молекул воды, являющихся, как известно, полярными
молекулами:
−
−
aq
e + nH 2 O → e
Первая гидратная оболочка гидратированного
электрона состоит из 6 молекул воды,
расположенных в вершинах октаэдра и
повернутых в сторону электрона одним из
своих атомов водорода.
Гидратированный электрон может диффундировать на значительно
более далекие расстояния, чем свободный электрон, и взаимодействует
с растворенными биологическими молекулами уже вдали от места
своего появления в результате радиолиза воды.
Радиолиз воды (2)
II. Если энергия кванта ионизирующего излучения менее 12,56эВ,
но более 7 эВ, молекула воды переходит в возбужденное
состояние и распадается непосредственно с образованием двух
радикалов — радикала водорода и гидроксильного радикала:
7эВ < hν <12,56 эВ
•
H 2 O → H 2 O → H + OH
*
•
Вторичные продукты радиолиза воды,
образовавшиеся при рекомбинации радикалов
При рекомбинации радикалов Н• и ОН• возникают
вторичные молекулярные продукты радиолиза воды —
водород Н2 и перекись водорода Н2О2.
•
•
H + H → H2
•
•
OH + OH → H 2 O 2
Радиационно-химический выход основных
продуктов радиолиза воды
В области рН от 3 до 10 радиационно-химический выход G (т.е.
кол-во радикалов или др. продуктов, образовавшихся на 100 эВ
поглощенной энергии ионизирующего электромагнитного
излучения) для основных продуктов радиолиза воды имеет
следующие значения:
GH • = 0,6
GOH• = 2,3
Ge- = 2,3
aq
GH 2 = 0,45
GH 2O 2 = 0,75
Дополнительные продукты радиолиза воды,
образующиеся в присутствии кислорода
При наличии в воде растворенного кислорода O2 количество
возможных продуктов, образующихся в результате радиолиза
воды возрастает.
Так, например, могут возникать:
- супероксиданионрадикал по реакции:
−
aq
e + O2 → O
•−
2
- перекисный радикал H―O―O• по реакции:
•
H + O 2 → HO
•
2
Наиболее важные продукты радиолиза воды (1)
В целом, наибольшее биологическое значение имеют, повидимому, следующие весьма химически активные продукты
радиолиза воды:
H
OH
hν
H2O
e-aq
O2
HO2
H2O2
Наиболее важные продукты радиолиза воды (2)
Как видно из вышеприведенной схемы, среди основных продуктов
радиолиза воды есть и радикалы (радикал водорода, гидроксильный
радикал, перекисный радикал и супероксиданионрадикал), и
нерадикальные продукты (гидратированный электрон и перекись
водорода).
Гидроксильный радикал является мощным окислителем и считается
наиболее активным продуктом радиолиза воды.
Гидратированный электрон также обладает высокой реакционной
способностью, однако, уже в качестве восстановителя.
Перекись водорода представляет собой очень неустойчивое
соединение и распадается с образованием различных радикальных
продуктов (в первую очередь, гидроксильного радикала).
В присутствии ионов Fe2+ скорость распада перекиси водорода с
образованием гидроксильного радикала (реакция Фентона)
значительно возрастает (примерно на 3 порядка):
H 2 O 2 + Fe
2+
•
→ OH + OH + Fe
-
3+
Основные реакции продуктов радиолиза воды
с жизненно важными молекулами
Продукты радиолиза воды могут диффундировать от места
образования к жизненно важным молекулам клетки и вызывать их
модификацию, т.е. повреждение, например, в результате следующих
реакций (МН здесь любая молекула — ДНК, РНК, белка, липида и др.):
MH + H• → M• + H2,
MH + H• → MH2•,
MH + OH• → M• + H2O,
MH + OH• → MHOH•,
MH + HO2• → MOOH + H•
и многих других реакций.
Последствия модификации жизненно важных
молекул продуктами радиолиза воды
Образовавшиеся в этих реакциях свободные радикалы
биомолекул могут привести:
1) к внутримолекулярным перестройкам этих молекул (т.е. к
внутримолекулярным сшивкам),
2) к взаимодействию этих молекул с другими имеющимися
в клетке соединениями (например, с кислородом или
какими-либо другими органическими молекулами).
В результате этих изменений биомолекулы могут изменить
свои физико-химические свойства и потерять
функциональную активность.
Продукты радиолиза воды не являются чем-то
необычным для клетки!
И радикальные, и нерадикальные продукты, образующиеся при
радиолизе воды, не являются какими-либо специфическими
соединениями, возникающими только в процессе радиолиза.
Такие же продукты образуются и в различных метаболических
процессах, протекающих в клетке в норме в отсутствие облучения. В
нормальных условиях, однако, их уровень существенно ниже.
Большинство из этих радикальных продуктов имеют в своем составе
кислород и поэтому получили название активных форм кислорода
(АФК, Reactive Oxygen Species – ROS).
Повышенный уровень АФК может наблюдаться и при многих других
патологических состояниях, а не только при облучении.