Лекции_по_гигиене. Гигиена, как медицинская наука, профилактической направленности
 Скачать 0.9 Mb.
|
ЛЕКЦИЯ N 3 ТЕМА: ФИЗИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.В лекции будут рассмотрены следующие вопросы: 1. Стадии формирования лучевого повреждения. 2. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. 3. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений. Радиолиз воды. Кислородный эффект. 4. Действие ионизирующих излучений на биологические макромолекулы. 5. Реакция клеток на облучение. Ионизирующие излучения получили своё название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул облучаемого объекта. Принципиальной особенностью действия ионизирующих излучений, в отличие от других повреждающих факторов внешней среды, является способность проникать в биологические ткани, клетки, субклеточные структуры и повреждать их, вызывая одномоментную ионизацию атомов и молекул за счёт физических взаимодействий и радиационно-химических реакций. Причём биологическое действие ионизирующих излучений нельзя рассматривать как элементарный акт. В его формировании выделяют несколько следующих друг за другом стадий. Стадии формирования лучевого повреждения. 1. Физическая (10^-16 с) Поглощение энергии ИИ облучаемой средой с возбуждением и ионизацией её молекул. 2. Физико-химическая (10^-6 с) Возникновение активных в химическом отношении свободных радикалов, которые взаимодействуют между собой и с органическими молекулами клетки. 3. Химическая (неск. секунд ) Появление биохимических повреждений биологически важных макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты, липиды и т.д.). 4. Биологическая (часы-недели-годы) Формирование повреждений на клеточном, тканевом, органном, организменном уровнях; формирование отдаленных последствий. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ (физическая стадия)Основная часть энергии заряженных частиц и гамма-квантов, взаимодействующих с веществом, идёт на его ионизацию и возбуждение. Под ионизацией понимают отрыв электрона от атома или молекулы, в результате чего они преобразуются в положительно заряженные ионы. Если энергии излучения недостаточно для полного отрыва электрона, то происходит возбуждение, т.е. переход электрона на удалённую от ядра орбиталь. Заряженные частицы (альфа, бета) производят ионизацию непосредственно (прямо ионизирующие). Электрически нейтральное излучение (гамма, рентгеновское, нейтронное) ионизирует атомы среды в результате вторичных процессов (косвенно ионизирующие). Степень ионизации зависит от свойств излучения (энергия, заряд частиц) и от структуры облучаемого объекта и характеризуется некоторыми параметрами. Линейная плотность ионизации (удельная ионизация) - число пар ионов, образованных заряженной частицей на единице длины пути в веществе. Линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице длины её пути в веществе. За единицу измерения принимают килоэлектрон-вольт на микрометр пути (кэВ/мкм). Для электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не применяется, но используется значение вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе. В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на редко- и плотноионизирующие (пограничная величина 10 кэВ/мкм). Редкоионизирующие (< 10 кэВ/мкм) - бета, гамма, рентгеновское. Плотноионизирующие (> 10 кэВ/мкм) - альфа, нейтронное. ЛПЭ заряженных частиц возрастает со снижением их скорости, поэтому в конце пробега отдача энергии заряженной частицей максимальна. Теперь рассмотрим особенности взаимодействия с веществом различных видов излучений. 1. Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью, образуя несколько десятков тысяч пар ионов на единицу пробега в веществе.По мере продвижения в веществе вначале плотность ионизации возрастает в несколько раз (с 20 000 до 80 000 пар ионов на 1 см пути) и затем, практически при завершении пробега, резко падает (кривая Брэгга). Эту особенность взаимодействия используют при лечении опухолей, т.к.она позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине поражённой ткани при минимальном рассеянии в здоровых тканях. Траектории альфа-частиц в веществе прямолинейны. Пробег в воздухе составляет несколько сантиметров, в жидкостях и биологических тканях - 10-100 мкм. Несмотря на небольшую глубину проникновения альфа-частиц в живую ткань, их разрушительное действие весьма значительное из-за высокой ионизирующей способности. 2. Бета-частицы обладают меньшей ионизирующей способностью по сравнению с альфа-частицами, образуют несколько десятков пар ионов на 1 см пути. Кроме ионизации, за счёт торможения электронов в веществе (особенно с большим Z) возникает тормозное рентгеновское излучение. Из-за малой массы бета-частицы при продвижении в веществе отклоняются на большие углы, поэтому траектория их очень извилиста. Проникающая способность бета-частиц в воздухе измеряется метрами, в биологической ткани составляет несколько сантиметров. 3. Гамма-излучение - одно из наиболее проникающих. Его проникающая способность зависит от энергии гамма-квантов и от свойств вещества.Ослабление гамма-излучения в веществе происходит за счёт различных эффектов взаимодействия: фотоэффект, эффект Комптона, образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте вся энергия гамма-кванта передаётся электрону оболочки, при этом электрон вырывается из атома и производит в дальнейшем ионизацию.Место выбитого электрона займёт другой электрон с верхней оболочки, что сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения.Фотоэффект наиболее характерен при поглощении мягкого гамма-излучения (до 0,5 Мэв) тяжёлыми элементами. При эффекте Комптона гамма-квант передаёт часть своей энергии орбитальному электрону, выбивая его, и превращается в другой квант с меньшей энергией.Выбитый электрон производит в дальнейшем ионизацию.В дальнейшем вторичный фотон может вновь претерпевать эффект Комптона и т.д.Этот эффект наиболее вероятен при энергии гамма-квантов 0,5-1 МэВ. Образование пары электрон-позитрон возможно только при значительной энергии гамма-кванта (>1 МэВ).Такой квант взаимодействует с атомным ядром и в его поле преобразуется в пару частиц - электрон и позитрон.Эти частицы производят в дальнейшем ионизацию.Позитрон, встречая на своём пути электрон, соединяется с ним и превращается в 2 фотона (аннигиляция).Образующиеся фотоны поглощаются средой в результате эффекта Комптона или фотоэффекта. 4. Нейтроны не имеют заряда, поэтому беспрепятственно проникают внутрь атомов, взаимодействуя непосредственно с ядрами. При этом возможны следующие эффекты: рассеяние (упругое и неупругое) и поглощение (радиационный захват). При упругом рассеянии нейтрон передаёт ядру часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления. Ядро, с которым взаимодействует нейтрон (ядро отдачи), начинает двигаться и ионизирует другие атомы и молекулы. Такой эффект наиболее характерен для быстрых нейтронов. Самый важный пример упругого рассеяния - рассеяние на ядрах водорода (протонах). При этом нейтрон передаёт протону более половины своей энергии, образуется протон отдачи. Поэтому для замедления быстрых нейтронов используют вещества, содержащие водород (вода, парафин). При неупругом рассеянии часть кинетической энергии нейтрона тратится на возбуждение ядра отдачи, которое переходит в основное состояние, излучая гамма-квант. Нейтроны могут поглощаться ядрами (радиационный захват). При этом ядро переходит в возбуждённое состояние и испускает гамма-квант или частицы (протон, нейтрон, альфа-частицу). В результате радиационного захвата многие вещества становятся радиоактивными (наведенная активность). этот эффект наиболее характерен для медленных нейтронов. Лучшими поглотителями являются кадмий и бор. ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. РАДИОЛИЗ ВОДЫ. КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ (физико-химическая стадия)На этой стадии происходит образование свободных радикалов.Свободные радикалы - это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбите.Они являются весьма реакционноспособными, т.к.имеют тенденцию спаривать этот электрон с аналогичным электроном в другом СР либо удалять его из атома путём электронного излучения. Следовательно, СР могут быть как окислителями (акцепторами), так и восстановителями (донорами). В основе первичных радиационно-химических изменений на данной стадии могут лежать 2 механизма : 1) прямое действие - когда молекула претерпевает изменения непосредственно при взаимодействии с ИИ ; 2) косвенное действие - когда молекула непосредственно не погло щает энергию от ИИ ,а получает её от других молекул. Поскольку живая материя на 70-90% состоит из воды, то большая часть энергии излучения поглощается именно молекулами воды. Таким образом, в основе косвенного действия лежит РАДИОЛИЗ ВОДЫ. Механизм радиолиза воды. При воздействии ИИ в воде идут процессы ионизации и возбуждения. В результате ионизации из молекулы воды выбивается электрон и об- разуется положительно заряженная молекула Н О : Н О --- Н О + е Образовавшийся электрон постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, которая превращается в отрицательно заряженную молекулу Н О . Эти молекулы не являются стабильными и распадаются, образуя ион и свободный радикал. Н О -- Н + ОН Н О -- Н + ОН Кроме того, выбитый электрон может окружить себя четырьмя молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон е . Возбуждённая молекула воды также нестабильна и распадается на 2 радикала : атомарный водород Н и гидроксильный радикал ОН . Далее радикалы могут реагировать друг с другом : Н + Н -- Н ; ОН + ОН -- Н О ; Н + ОН -- Н О Радикалы могут вступать в реакцию с другими молекулами воды : Н О + Н -- Н + ОН Свободные радикалы способны вырывать атом водорода из органических молекул ,превращая их в радикалы : RН + ОН -- R + Н О RН + Н -- R + Н Свободные радикалы реагируют также с молекулами растворённого кислорода ,в результате чего образуются перекисные радикалы ,обладающие высокой реакционной способностью : - гидроперекисный радикал НО Н + О -- НО - супероксидный радикал О О + е -- О Какие эффекты могут вызвать продукты радиолиза воды ? 1) окислители : ОН , Н О , НО , О ; 2) восстановители : Н , е ; 3) образование радиотоксинов в результате реакции с хиноном и убихиноном ; 4) дезаминирование аминокислот. Необходимо отметить, что в присутствии кислорода образуются дополнительные реакционноспособные радикалы, которые обладают выраженным поражающим действием. Кроме того, молекула кислорода обладает электроноакцепторными свойствами, активно взаимодействует с образующимися при действии излучения радикалами биологических молекул, как бы фиксирует возникшие в них потенциальные повреждения и делает их труднодоступными для репарации. Следовательно, в присутствии кислорода отмечается усиление лучевого повреждения по сравнению с наблюдаемым в анаэробных условиях. Это явление известно в радиобиологии как КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ. Количественной мерой КЭ служит коэффициент кислородного усиления. При облучении отдельных клеток он равен 3, т.е.в присутствии кислорода лучевое повреждение усиливается втрое. Для проявления такого действия кислород должен присутствовать в клетке в момент облучения. Однако в дальнейшем кислород играет положительную роль: он необходим для нормальной работы системы репарации ДНК. Таким образом, в формировании лучевого повреждения кислород ведёт себя двояко: усиливая первичные процессы лучевого повреждения, он одновременно стимулирует процессы внутриклеточного восстановления. Кислородный эффект зависит от ЛПЭ: с увеличением ЛПЭ он уменьшается и при действии, например, альфа-излучения исчезает. На кислородном эффекте основан метод управления тканевой радиочувствительностью, что используется в лучевой терапии опухолей. 1) оксигенорадиотерапия (оксибарорадиотерапия) Во время сеанса лучевой терапии больной дышит чистым кислородом при нормальном или увеличенным в 2-3 р. атмосферном давлении. Напряжение кислорода в здоровых тканях увеличивается незначительно (есть предел насыщения). В опухоли давление кислорода поднимается до такого же уровня, но по сравнению с исходным его содержание возрастает во много раз, значит, повышается её радиочувствительность. 2) гипооксирадиотерапия Во время сеанса лучевой терапии больной дышит гипоксической газовой смесью (содержание кислорода 7-10% вместо 21%). Напряжение кислорода в здоровой ткани уменьшается, а в опухоли останется прежним. Значит, можно повысить дозу на опухоль. ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА МАКРОМОЛЕКУЛЫ (химическая стадия)Действие ИИ на белки. До 20% поглощённой энергии будет локализоваться в белках. Под действием ИИ из молекулы белка выбивается электрон.Образуется дефектный участок, лишённый электрона - "дырка".Эта "дырка" мигрирует по полипептидной цепи за счёт переброски соседних электронов до тех пор, пока не достигнет участка с повышенными электрондонорными свойствами. В этом месте возникают свободные радикалы у пептидных группировок. Такие события происходят в результате прямого действия ИИ. При косвенном действии образование свободных радикалов происходит при взаимодействии с продуктами радиолиза воды. Образование свободных радикалов влечёт за собой изменения структуры белка : - разрыв водородных, пептидных, дисульфидных связей ; - разрушение аминокислот в цепи ; - образование сшивок и агрегатов ; - нарушение вторичной и третичной структуры белка. Такие нарушения в структуре белка приводят к нарушению всех его функций (ферментативной, гормональной, сократительной и др.). Нарушение ферментативной функции - образование "бешеных ферментов". Действие ИИ на нуклеиновые кислоты Около 7% поглощённой дозы приходится на ядерную ДНК. Механизм повреждения сходен с повреждением белка : выбивание электрона и образование "дырки", миграция её по полинуклеотидной цепи ( при этом пробегается несколько сотен азотистых оснований ) до участка с повышенными электрондонорными свойствами .Таким местом будет место локализации азотистого основания, чаще тимина или цитозина. Возникают свободные радикалы этих оснований. Это прямое действие. При косвенном действии к образованию свободных радикалов приводит взаимодействие с продуктами радиолиза воды. Образование свободных радикалов приводит к нарушению структуры ДНК: - однонитевые и двунитевые разрывы ; - модификация азотистых оснований; - образование сшивок - тиминовых димеров; - нарушение ДНК-мембранного комплекса ; - сшивки ДНК - ДНК ; - сшивки ДНК с белком нуклеопротеидного комплекса. При дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждается 5000 азотистых оснований ,возникает 1000 одиночных и 10-100 двойных разрывов. Определённое число одиночных разрывов образуется даже при малыхдозах излучения, но они не приводят к поломкам молекулы ДНК, т.к. куски повреждённой молекулы прочно удерживаются на месте водородными связями c противоположной нитью ДНК. Репарация одиночных разрывов идёт быстро и эффективно - эксцизионная репарация: - фермент эндонуклеаза узнаёт повреждённый участок и производит "разрез"; - фермент экзонуклеаза вырезает повреждённый участок (иногда и прилегающие); - ДНК-полимераза застраивает дефект новыми нуклеотидами с использованием неповреждённой нити в качестве матрицы; - лигазы соединяют новый сегмент с интактными участками. Большинство одиночных разрывов репарируются даже в летально облучённых клетках. Поэтому одиночные разрывы не являются причиной, определяющей гибель клетки. Однако нерепарированные одиночные разрывы могут в последующем привести к образованию двойных разрывов. Двойные разрывы могут возникнуть в результате единичного акта ионизации либо при совпадении одиночных разрывов на комплементарных нитях.Двойные разрывы опасны для клетки ,т.к. они практически не репарируются и служат непосредственной причиной возникновения хромосомных аберраций.Основными видами хромосомных аберраций являются: - фрагментация хромосом; - образование хромосомных мостов ,дицентриков ,кольцевыххромосом; - появление внутри- и межхромосомных обменов. Часть аберраций (например, мосты) механически препятствуют делению клетки. Появление обменов, ацентрических фрагментов приводит к неравномерному разделению хромосом и утрате генетического материала, а это вызывает гибель клеток из-за недостатка метаболитов, синтез которых кодировался утраченной частью ДНК. Действие ИИ на липиды Под влиянием облучения происходит образование свободных радикалов ненасыщенных жирных кислот, которые при взаимодействии с кислородом образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют с нативными жирными кислотами. Это процесс перекисного окисления липидов. Т.к. липиды - основа биомембран, то это повлечёт за собой изменение их свойств.А поскольку клетка представляет собой систему взаимосвязанных мембран и многие процессы клеточного метаболизма проходят именно на мембранах, то в клетке нарушаются биохимические процессы.Выражено нарушение энергетического обмена, что связано с повреждением митохондрий. Нарушение целости наружной мембраны клетки приводит к сдвигу ионного баланса клетки из-за выравнивания концентраций натрия и калия. Действие на углеводы Под действием ИИ происходит отрыв атома водорода от кольца, образуются свободные радикалы, а затем перекиси. Из продукта распада углеводов - глицеринового альдегида - синтезируется метилглиоксаль - вещество, ингибирующее синтез ДНК, белка, подавляющее деление клеток. Чувствительна к облучению гиалуроновая кислота, являющаяся составным элементом соединительной ткани. РЕАКЦИЯ КЛЕТОК НА ОБЛУЧЕНИЕ (биологическая стадия)Возможны три типа реакций: 1) радиационный блок митозов; 2) митотическая (репродуктивная) гибель клетки; 3) интерфазная гибель клетки. Наиболее универсальной реакцией клетки на воздействие ИИ является временная задержка деления или РАДИАЦИОННЫЙ БЛОК МИТОЗОВ.Длительность его зависит от дозы: на 1 Гр дозы задержка на 1 час. Проявляется этот эффект независимо от того, выживет ли клетка в дальнейшем.Причём с увеличением дозы облучения увеличивается не число реагирующих клеток, а время задержки деления каждой облучённой клетки. Эта реакция имеет огромное приспособительное значение :увеличивается длительность интерфазы, оттягивается вступление клетки в митоз, создаются благоприятные условия для нормальной работы системы репарации ДНК. При больших дозах, чем необходимы только для радиационного блока митозов, развивается МИТОТИЧЕСКАЯ ГИБЕЛЬ КЛЕТКИ. Это полная потеря клеткой способности к размножению. Это не относится к клеткам, не делящимся или делящимся редко. В клетке не выражены дегенеративные процессы. Варианты митотической гибели: 1) клетка гибнет в процессе одного из первых четырёх пострадиационных митозов (показателем выживаемости клетки является её способностьпроходить 5 и более делений); 2) облучённые клетки после первого пострадиационного митоза формируют так называемые "гигантские" клетки (чаще в результате слияния "дочерних" клеток), такие клетки способны делиться не более 2-3 раз, после чего погибают. Основная причина митотической гибели клетки - повреждение хромосомного аппарата клетки, приводящее к дефициту синтеза ДНК. ИНТЕРФАЗНАЯ ГИБЕЛЬ КЛЕТКИ наступает до вступления клетки в ми- тоз. Для большинства соматических клеток человека она регистрируется после облучения в дозах в десятки и сотни Гр. Лимфоциты (радиочувствительные клетки) гибнут по этому механизму даже при небольших дозах. В клетке наблюдаются различные дегенеративные процессы вплоть до её лизиса. Механизм интерфазной гибели следующий.За счёт разрывов в молекуле ДНК нарушается структура хроматина.В мембранах идёт процесс ПОЛ.Изменения ДНК-мембранного комплекса вызывают остановку синтеза ДНК.Повреждение мембраны лизосом приводит к выходу из них ферментов - протеаз и ДНК-аз.Эти ферменты разрушают ДНК ,что ведёт к пикнозу ядра.Повреждение мембран митохондрий ведёт к выходу из них кальция ,который активирует протеазы.В итоге клетка лизируется. |