МЕДИЦИНСКАЯ РАДИОЛОГИЯ Доцент Матусков Михаил Анатольевич Введение в радиобиологию. Основы биологического действия ионизирующего излучения Предмет радиобиологии – • эффекты действия ионизирующих излучений на всех уровнях организации живого – от молекулярного до организменного, а часто и популяционного; • механизмы возникновения этих проявлений; • влияние условий воздействия радиации на развитие конкретных биологических эффектов; • модифицирующие воздействие ионизирующего излучения на эффекты факторов нерадиационной природы. Цель радиобиологических исследований: • прогнозирование последствий радиационных воздействий; • нормирование радиационных воздействий ионизирующих излучений; • разработка режимов поведения и защитных мероприятий при повышенном воздействии ионизирующих излучений; • разработка средств и методов профилактики радиационных поражений, диагностики и прогнозирования тяжести поражений; • обоснование проведения неотложных мероприятий первой помощи и последующего лечения; • разработка наиболее рациональных режимов терапевтического облучения и др. На грани радиобиологии со смежными науками сформировались: радиационная биохимия; радиационная иммунология; радиационная гематология; радиационная генетика; радиационная цитология; радиационная гигиена; радиационная экология; радиобиология опухолей; космическая радиобиология и др. Ионизирующее излучение (ИИ) получило свое название по свойству вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Все ионизирующие излучения подразделяются на электромагнитные и корпускулярные. Электромагнитные излучения с длинной волны меньше 365 нм обладают ионизирующими свойствами. Взаимодействие электромагнитного ИИ (- и Rизлучение) с атомами вещества в формах: Фотоэффект – поглощение одной из внешних электронных оболочек атома всей энергии фотона с превращением ее в кинетическую энергию «выбитого» из атома электрона. Этот эффект преобладает при энергии фотонов до 0,05 МэВ Комптон-эффект – передача электрону части энергии фотона, остальная энергия передается вторичному («рассеянному») фотону, который взаимодействует с атомами по механизму фотоэффекта или комптонэффекта. При энергиях квантов от 0,1 до 2,0 МэВ. Образование электрон-позитронных пар при прохождении γ-кванта в непосредственной близости от ядра атома при их энергии более 50 МэВ. Корпускулярные ИИ (нейтроны и ускоренные заряженные частицы) взаимодействуют с ядрами атомов вещества: Упругое рассеяние - вызывает формирование положительно заряженных частиц с высокой ионизирующей способностью. Неупругое рассеяние - вызывает -излучение. Ядерные перестройки - вызывает выброс протонов, α-частиц, -квантов (наведенная активность). Линейная плотность ионизации (ЛПИ) количество пар ионов, образующихся в среднем на 1 мкм пути частицы ИИ в веществе. Основы дозиметрии Дозиметрия - выявление ИИ и количественная оценка уровня радиационных воздействий (доза излучения). Экспозиционная доза (X) – мера количества ИИ, суммарный заряд ионов одного знака, образующихся при облучении единицы массы воздуха. В системе СИ - кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица – рентген (Р) (2,1х109 пар ионов в 1 см3 сухого воздуха). 1 Кл/кг = 3876 Р; 1P = 2,58х10-4 Кл/кг. Поглощенная доза – количество энергии, передаваемая излучением единичной массе вещества. В СИ - грей (Гр) - 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемная единица – рад (аббревиатура «radiation absorbed dose»). 1 рад = 10-2 Гр. В воздухе 1 рентген = 0,89 рад. В тканях организма 1 рентген = 0,95 рад. Эквивалентная доза – количество энергии любого вида ионизирующего излучения вызывающего биологический эффект равный таковому при воздействии 1 Гр -излучения. В СИ - зиверт (Зв). Внесистемная единица - бэр (биологический эквивалент рада). 1 Зв = 100 бэр. Мощность дозы - доза (экспозиционную, поглощенную или эквивалентную), регистрируемая за единицу времени. Мощность экспозиционной дозы - Кл/(кг•с), Р/ч. Мощность поглощенной дозы - Гр/с, рад/с. Мощность эквивалентной дозы - Зв/год и бэр/год. Кратковременным облучение – при мощности поглощенной дозы свыше 0,02 Гр/мин. Хроническое облучение - непрерывное радиационное воздействие в течение нескольких месяцев или лет. Пролонгированное облучение - занимает промежуточное положение между первыми двумя. Однократное – не менее 80% всей дозы регистрируется не более чем за 4 суток. Фракционированное - если доза ИИ разделена на части (фракции), чередующиеся с интервалами времени, в течение которых облучения не происходит, облучение. Непрерывное - если эти интервалы меньше суток. Дозиметры - приборы, предназначенные для измерения дозы облучения объекта от внешнего источника. Рентгенметры - приборы, предназначенные для измерения мощности дозы облучения объекта от внешнего источника. Радиоактивный распад – превращение нестабильного атома в стабильный с выделением энергии в виде ИИ. Период полураспада - интервал времени, в течение которого распадается половина атомов радионуклида. Короткоживущие радионуклиды - если период полураспада измеряется секундами – часами. Долгоживущие радионуклиды - если период полураспада измеряется годами. Радионуклиды делятся на α-, β-, γ-излучатели. Радиометрия – измерение радиоактивности (активности) радиоактивных веществ. В системе СИ единица радиоактивности - 1 распад в секунду (беккерель, Бк), Внесистемной единицей служит кюри (Ки). Удельная активность - активность, отнесенная к единице объема или единице массы вещества загрязненного радионуклидами. Плотность поверхностного радиоактивного загрязнения - активность, отнесенная к единице площади загрязненной радионуклидами поверхности. Для радиометрических исследований могут применяться измерители мощности дозы γизлучения. Радиобиологические эффекты - изменения, возникающие в биологических системах при действии на них ИИ. Молекулярный уровень - результат взаимодействия биомолекул с ИИ или продуктами радиолиза воды. К ним относят разрывы, сшивки, изменения последовательности мономеров в молекулах биополимеров, потерю ими фрагментов, окислительную модификацию, образование аномальных химических связей с другими молекулами. Доля поврежденных биомолекул положительно связана с их молекулярной массой. Наиболее уязвима молекула ДНК. На клеточном уровне воздействие ИИ вызывает интерфазную или репродуктивную гибель клеток, временный блок митозов и нелетальные мутации. На системном уровне - цитопенический эффект, в основе которого лежат гибель клеток и радиационный блок митозов. Радиобиологические эффекты в организме и популяции делятся на ближайшие и отдаленные. Ближайшие эффекты проявляются в сроки до нескольких месяцев после облучения и связаны с развитием цитопенических состояний в различных тканевых системах организма (острая лучевая реакция, острая лучевая болезнь, лучевая алопеция, лучевой дерматит). Отдаленные эффекты возникают спустя годы после облучения, на фоне полной регрессии основных клинических проявлений острого поражения. Отдаленные радиобиологические эффекты не являются специфическими для радиационного воздействия – эта патология вызывается и нелучевыми факторами (опухоли, гемобластозы, гипопластические, дистрофические, склеротические процессы). Сокращение продолжительности жизни организмов, перенесших острое лучевое поражение - проявление этих последствий. Местное действие ИИ - локальное облучение органа или сегмента тела с наиболее сильным поражающим действием ИИ. Дистанционное действие ИИ - изменения возникающие в необлученных тканях. Для каждого органа определен взвешивающий коэффициент, величина которого меньше 1. Риск канцерогенного эффекта при неравномерном облучении определяется с использованием эффективной дозы облучения органа – определяется произведением эквивалентной дозы облучения органа на соответствующий ему взвешивающий коэффициент. Сумма эффективных доз органов = эффективная доза неравномерно облученного организма. Радиобиологические эффекты делятся на стохастические и детерминированные. Признаки стохастического эффекта: • беспороговость; • альтернативный характер. Признаки детерминированного эффекта: • пороговый характер; • градиентная связь амплитуды с дозой облучения. Дозовые пороги некоторых детерминированных эффектов облучения организма человека Эффекты Дозовые «пороги», Гр Острая лучевая реакция 0,25 Обратимая стерильность у мужчин 0,40 Тошнота, рвота 0,50 Острая лучевая болезнь 100 Хроническая лучевая болезнь 100 Лучевая катаракта 200 Радиационный гормезис - повышение жизнеспособности организмов под влиянием облучения в малых дозах. Соматические (возникающие в соматических клетках) радиобиологические эффекты. Генетические (индуцируемые при воздействии ИИ на половые клетки) радиобиологические эффекты. Стадия физических процессов - образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы (биомолекулы наиболее уязвимы). Стадия физико-химических явлений поглощенная энергия перераспределяется между биомолекулами. Происходят разрывы химических связей там, где они менее прочны. Уязвимы аминокислоты (триптофан), азотистые основания (пиримидиновые). Разрывы химических связей приводят к образованию свободных радикалов с высокой химической активностью. Химическая стадия - образовавшиеся свободные радикалы вступают в химические реакции как между собой, так и с другими молекулами. Прямое действие излучения - последствия поглощения энергии излучения макромолекулами белков, нуклеопротеидов, структурами внутриклеточных мембран. Непрямое действие излучения - энергия излучения вызывает радиолиз молекул воды, а биомолекулы повреждаются химически высокоактивными продуктами радиолиза воды. Биологическая стадия - радиобиологические эффекты, прослеживаемые на всех уровнях организации живого, иногда продолжается в течение всей жизни. Стадия Процессы Поглощение энергии излучения. Физическая Образование ионизированных и возбужденных атомов и молекул Перераспределение поглощенной энергии Физиковнутри молекул и между ними. Образование химическая свободных радикалов Реакции между свободными радикалами, между радикалами и неактивированными Химическая молекулами. Образование широкого спектра молекул с измененными структурой и функциональными свойствами Последовательное развитие поражения на всех уровнях биологической организации – Биологическая от субклеточного до организменного. Активация процессов биологического усиления и репарации повреждений Биологическое усиление первичного радиационного повреждения – увеличение выраженности молекулярных повреждений в клетке из-за нарушения метаболических процессов (нарушение синтеза АТФ). Репарационные процессы - полное или частичное восстановление структур и функций клетки (условие достаточное количество АТФ). Судьба облученной клетки определяется соотношением эффективности процессов биологического усиления и репарации. Радиационный блок митозов цитостатический эффект. Формы лучевой гибели клеток: - репродуктивная связанна с процессом деления клетки - интерфазная - может произойти в любой фазе клеточного цикла. Нелетальные повреждения генома клетки наследуемые повреждения генетического материала – мутации, в следствие чего злокачественное перерождение соматических клеток. Радиочувствительность тканей – определяется пролиферационной и функциональной активностью клеток. Радиационное поражение системы крови Приостановка клеточного деления (блок митозов) увеличивается с увеличением дозы облучения. После выхода из блока часть клеток, в которых повреждения ядерной ДНК не были репарированы, подвергается репродуктивной гибели. Часть клеток погибает по интерфазному типу. С повышением дозы число погибающих клеток увеличивается. В первые часы после облучения наблюдается ранний нейтрофильный лейкоцитоз перераспределительного характера – неспецифическая реакция, наблюдаемая при воздействии и других раздражителей. С середины 2-й нед. после облучения наблюдается абортивный подъем числа нейтрофилов, сменяющийся глубоким снижением количества этих клеток. Максимальная тромбоцитопения наблюдается через через 2–2,5 недели после облучения. Выраженность цитопении нарастает с увеличением дозы облучения. Поражение кроветворения определяет развитие инфекционных осложнений и повышенной кровоточивости. Этот клинический комплекс получил наименование костномозгового синдрома. Он лежит в основе костномозговой формы ОЛБ, развивающейся после облучения в дозах 1–10 Гр. Радиационное поражение органов желудочно-кишечного тракта При общем облучении среди органов желудочнокишечного тракта наиболее значимо поражение эпителия слизистой оболочки тонкой кишки. Миграция эпителиальных клеток от дна крипты до верхушки ворсинки занимает около 4 сут. Эпителиальная выстилка кишки при отсутствии пополнения за счет клеточного деления быстро исчезает, ворсинки «оголяются» и уплощаются. Кишечный синдром - изменения слизистой оболочки тонкой кишки, достигающие в случае общего облучения максимальной выраженности при дозах более 10 Гр. Лучевое поражение центральной нервной системы Выраженные морфологические проявления поражения клеток центральной нервной системы наблюдаются после воздействия в дозах, приближающихся к 50 Гр и выше. Нервные клетки способны отвечать на воздействие даже малых доз облучения функциональными реакциями. Острый пострадиационный ЦНС-синдром наблюдается при первичной реакции на облучение. Нарушения функций нервной системы имеют существенное значение для развития лучевого поражения. ФАКТОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ПОРАЖЕНИЯ ЛЮДЕЙ ПРИ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВАХ И РАДИАЦИОННЫХ АВАРИЯХ Поражающие факторы ядерного взрыва (ЯВ) 1. ударная волна; 2. световое излучение; 3. проникающая радиация; 4. радиоактивное загрязнение местности (РЗМ); 5. электромагнитный импульс. Проникающая радиация ЯВ представляет собой поток γ-излучения и нейтронов, распространяющийся в воздухе во все стороны из центра взрыва на расстояние до 3 км. Время действия проникающей радиации при ЯВ не превышает нескольких секунд. Поражающее действие проникающей радиации на человека определяется дозой облучения и неравномерностью распределения по телу. Радиоактивное загрязнение местности возникает при выпадении радиоактивных веществ из облака ЯВ. Значение этого поражающего фактора определяется возможностью формирования высоких доз облучения у людей не только в районе, прилегающем к месту ЯВ, но и за сотни километров от него. Воздействие РЗМ более продолжительно, чем действие проникающей радиации. Лучевое поражение людей на РЗМ обусловлено: − равномерным внешним γ-облучением тела; − внешним β-облучением открытых участков кожи, конъюнктив и слизистых оболочек; − излучениями радионуклидов, проникающих в организм ингаляционным или пероральным путем. Поражения ударной волной обусловлены действием избыточного давления во фронте ударной волны, скоростным напором воздуха и действием вторичных ранящих снарядов. Световое излучение - поток видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучения, исходящий из светящейся области ЯВ. Поражающее действие обусловлено нагревом поверхностей и вторичными ожогами от воспламенившейся одежды. Могут возникать зоны обширных пожаров «огненные бури», при них возможны термические ожоги кожи, верхних дыхательных путей и массовые отравления оксидом углерода. Поражения населения при авариях или разрушениях ядерных реакторов Основным радиационным фактором, способным вызвать поражения населения на прилегающих территориях, является РЗМ. Особенности РЗМ - более медленный, чем при ЯВ, спад мощности дозы излучения на местности, более сложная конфигурация загрязненных участков местности, более высокие адгезивность и контаминирующая способность выпадающих радиоактивных веществ. Риск поступления радионуклидов в организм выше, чем при ЯВ, что обусловлено их мелкодисперсным состоянием и способностью преодолевать противогазы и респираторы. В первые несколько суток после аварии наибольшую опасность представляет инкорпорация смеси радиоактивных изотопов йода. Затем на первый план выходит внутреннее облучение организма за счет долгоживущих радионуклидов 137Cs и 90Sr. Характеристика лучевых поражений Лучевые поражения являются результатом внешнего облучения и проникновения радионуклидов во внутренние среды организма. 1. Лучевые поражения от внешнего облучения: - поражения в результате общего (тотального) облучения; - местные лучевые поражения от внешнего облучения. 2. Поражения от наружного загрязнения покровных тканей радионуклидами. 3. Поражения от внутреннего радиоактивного загрязнения . ЛУЧЕВЫЕ ПОРАЖЕНИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВНЕШНЕГО ОБЛУЧЕНИЯ При внешнем облучении источник излучения располагается на расстоянии от облучаемого объекта. Классификация лучевых поражений 1) от γ- или рентгеновского излучения; 2) от нейтронного излучения; 3) от β-излучения. Патогенетическая классификация острой лучевой болезни (ОЛБ) от внешнего облучения Клиническая форма Степень тяжести Доза, Гр 1 (легкая) 1-2 Костномозговая 2 (средняя) 2-4 3 (тяжелая) 4-6 Костномозговая 4 (крайне тяжелая) 6-10 (переходная) Кишечная 10-20 Токсемическая 20-50 Церебральная Более 50 Клинические проявления после облучения в дозах менее 1 Гр, называют лучевой реакцией. По распределению поглощенной дозы в объеме тела различают: - общее (тотальное) облучение; - местное (локальное) облучение. Общее облучение: - равномерное; - неравномерное (различия более 10-15%). Местные лучевые поражения - при крайней неравномерности облучения в дозах, превышающих толерантность тканей. Сочетанное облучение – при местном лучевом повреждении на фоне общего облучения в дозах, приводящих к развитию острой лучевой болезни. По временным условиям облучения различают: − однократное; − фракционированное; − кратковременное (до 4 суток); − пролонгированное; − хроническое.
