4. Ионизирующие излучения. Модуль ионизирующие излучения
 Скачать 459.37 Kb.
|
|
Действие ионизирующих излучений на клетку Повреждением биологически важных макромолекул далеко не полностью объясняется ионизирующее поражение клетки. Клетка - слаженная динамическая система биологически важных макромолекул, которые скомпонованы в субклеточных образованиях, выполняющих определенные физиологические функции. Поэтому эффект действия источников ионизирующих излучений можно понять, лишь приняв во внимание изменения, происходящие как в самих клеточных органеллах, так и во взаимоотношениях между ними. Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма млекопитающих являются ядро и митохондрии. Повреждения этих ЧУДПО " ИПиПКСЗ " структур наступают при малых дозах и проявляются в самые ранние сроки. Так, при облучении митохондрий лимфатических клеток дозой 0,5 Гр и более процессы окислительного фосфорилирования угнетаются в ближайшие часы облучения. При этом обнаруживаются изменения физико-химических свойств нуклеопротеидных комплексов, в результате чего происходят количественные и качественные изменения ДНК и разобщается процесс синтеза ДНК- РНК-белок. В ядрах радиочувствительных клеток почти тотчас же после облучения угнетаются энергетические процессы, ионы натрия и калия выбрасываются в цитоплазму, нарушается нормальная функция мембран. Одновременно возможны разрывы хромосом, выявляемые в период клеточного деления, хромосомные аберрации и точковые мутации, в результате которых образуются белки, утратившие свою нормальную биологическую активность. Более выраженной радиочувствительностью, чем ядра, обладают митохондрии. Так, значительные изменения в структуре митохондрий лимфатических клеток селезенки обнаруживаются уже через 1 ч после облучения дозой 1 Гр. Эти изменения проявляются набуханием митохондрий, деструкцией крист и просветлением матрикса. В ряде случаев отмечаются повреждения мембраны митохондрий, проявляющиеся прежде всего в резком угнетении процессов окислительного фосфорилирования. В чувствительных к излучению тканях это нарушение обнаруживается уже при дозах фотонного излучения 0,5-1 Гр. Эффект воздействия ионизирующего излучения на клетку - результат комплексных взаимосвязанных и взаимообусловленных преобразований. По А.М. Кузину, радиационное поражение клетки осуществляется в три этапа. На первом этапе излучение воздействует на сложные макромолекулярные образования, ионизируя и возбуждая их. При поглощенной дозе фотонного излучения 10 Гр в клетке образуется до 3-10 6 ионизированных и возбужденных молекул. При этом в ядре должно возникнуть около 9-10 5 активных центров, в каждой митохондрии - 900 ЧУДПО " ИПиПКСЗ " центров, в эндоплазматическом ретикулуме - 4,5-10 5 и в каждой лизосоме - около 200 активных центров. На эти процессы прямого воздействия расходуется до 80% поглощенной энергии. Кроме того, от 25 до 50% образовавшихся в результате радиолиза воды радикалов реагируют с макромолекулами клетки. Поглощенная энергия может мигрировать по макромолекулам, реализуясь в слабых местах. В белках, вероятно, это SН-группы, в ДНК - хромофорные группы тимина, в липидах - ненасыщенные связи. Указанный этап повреждения может быть назван физической стадией лучевого воздействия на клетку. Второй этап - химические преобразования, соответствующие процессам взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот и липидов с водой, кислородом, радикалами воды и биомолекулами, а также возникновению органических перекисей, вызывающих быстро протекающие реакции окисления, которые приводят к появлению множества измененных молекул. В результате этого начальный эффект многократно усиливается. Радикалы, появляющиеся в слоях упорядоченно расположенных белковых молекул, взаимодействуют с образованием сшивок, в результате чего нарушается структура биологических мембран. Повреждение мембран приводит к высвобождению ряда ферментов. Вследствие повреждения лизосомных мембран увеличивается активность ДНКазы, РНКазы, катепсинов, фосфатазы и ряда других ферментов. Нарушения, наступающие в результате высвобождения ферментов из клеточных органелл и изменения их активности, соответствуют третьему этапу лучевого поражения клетки - биохимическому. Высвободившиеся ферменты путем диффузии достигают любой органеллы клетки и легко проникают в нее благодаря увеличению проницаемости мембран. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых кислот и белков. Было бы неправильным особо выделять какое-то одно ЧУДПО " ИПиПКСЗ " биохимическое нарушение, возникающее при этом, так как радиационный эффект отмечается в результате многих самых разнообразных повреждений тонко сбалансированного механизма биохимических реакций. Вместе с тем, рассматривая действие радиации на клетки, можно говорить о ведущих повреждениях, приводящих к нарушению той или иной функции. Так, нарушения процессов окислительного фосфорилирования связаны с повреждением структуры митохондрий. В то же время указанные нарушения могут возникать в результате повреждения лизосом и высвобождения из них гидролитических ферментов. Изменения в клеточном ядре способны приводить к синтезу ферментов с измененной или утраченной активностью и т.д. Действие ничтожно малых количеств поглощенной энергии оказывается для клетки губительным вследствие физического, химического и биохимического усиления радиационного эффекта, и основную роль в развитии этого эффекта играет повреждение надмолекулярных структур, обладающих высокой радиочувствительностью. В зависимости от количества этих структур в клетках в определенной степени изменяется и их радиочувствительность. Так, при удвоенном количестве ДНК в клетке при облучении повышается содержание части ДНК в неповрежденном виде. Поэтому диплоидные клетки более устойчивы, чем гаплоидные. Уменьшение числа митохондрий повышает степень поражения каждой из них, в результате чего радиочувствительность возрастает. Радиочувствительность клеток в значительной мере зависит от скорости протекающих в них обменных процессов. Клетки, для которых характерны интенсивно протекающие биосинтетические процессы, высокий уровень окислительного фосфорилирования и значительная скорость роста, обладают более высокой радиочувствительностью, чем клетки, пребывающие в стационарной фазе. Наконец, следует подчеркнуть, что конечный эффект облучения является результатом не только первичного повреждения клеток, но и ЧУДПО " ИПиПКСЗ " последующих процессов восстановления. Предполагается, что значительная часть первичных повреждений в клетке возникает в виде так называемых потенциальных повреждений, которые могут реализоваться в случае отсутствия восстановительных процессов. Реализации этих процессов способствуют процессы биосинтеза белков и нуклеиновых кислот. Пока реализации потенциальных повреждений не произошло, клетка может в них восстановиться. Такое восстановление, как предполагается, связано с ферментативными реакциями и обусловлено энергетическим обменом. Считается, что в основе этого явления лежит деятельность систем, которые в обычных условиях регулируют интенсивность естественного мутационного процесса. Таковы современные взгляды на механизм развития поражения клетки, возникающего при действии ионизирующих излучений. Если принять в качестве критерия чувствительности к ионизирующему излучению морфологические изменения, то ткани клетки и органы человека по степени снижения чувствительности можно расположить в следующем порядке: гонады и красный костный мозг; толстая кишка, легкие и желудок; мочевой пузырь, молочная железа, печень, пищевод, щитовидная железа; кожа и клетки костных поверхностей; остальные органы и ткани. 4.4 Методы измерения количества энергии ионизирующих излучений. Дозиметрия. Дозиметрия - раздел прикладной ядерной физики, рассматривающий ионизирующее излучение, физические величины, характеризующие поле излучения или взаимодействие излучение с веществом, а также принципы и методы определения этих величин. Дозиметрия имеет дело с такими физическими величинами ионизирующего излучения, которые определяют его химическое, физическое и биологическое действие. Важнейшее свойство дозиметрических величин - установленная связь между измеряемой физической величиной и ожидаемым радиационным эффектом. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " В первые годы работы ученых с рентгеновским излучением и радиоактивными элементами не предпринимались попытки к лимитированию облучения человека, несмотря на понимание опасности ионизирующих излучений. Лишь спустя почти 7 лет с момента открытия рентгеновского излучения, английский ученый Роллинз в 1902 году предложил ограничить облучение работающих дозой, которая вызывала почернение применявшихся в тот период времени фотоэмульсии, что соответствовало экспозиционной дозе 10 Р/сут. Однако первое четкое представление о физически обоснованном понятии дозы, достаточно близком к современному, разработал швейцарский врач и физик Кристен в статье «Измерение и дозировка рентгеновских лучей». Прежде чем в дозиметрии начали применять физически обоснованные методы, применяли биологические методы дозиметрии. Так обнаруженные и впоследствии хорошо изученные ранние поражения кожных покровов у лиц, работающих с ионизирующим излучением, послужили основанием для предложений ведущих радиологов мира об ограничении профессионального облучения. Впоследствии этими вопросами стали заниматься специально созданные национальные комитеты по защите от ионизирующих излучений, которые были созданы в 1921 году во многих странах. "В эти годы была введена такая единица рентгеновского излучения как рентген. В 1925 году американский радиолог Матчеллер рекомендовал в качестве толерантной (переносимой) дозы за месяц - дозу, равную 340 Р (около 100 мР/сутки). Однако, только в 1934 году, Международная комиссия по защите от рентгеновского излучения и радия, которая была создана в 1928 году (в настоящее время это Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ), впервые рекомендовала национальным правительствам принять в качестве толерантной дозу 200 мР/сут. В 1936 году эта комиссия уменьшила указанную дозу до 100 мР/сут. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Дальнейшее накопления научных данных о действии ионизирующего излучения, в частности о сокращении продолжительности жизни экспериментальных животных, термин толерантная доза заменили более осторожным - предельно допустимая доза (ПДД). Уже в 1948 году МКРЗ рекомендовало снизить ПДД облучения профессионалов до 50 мР/сут (6 Зв за 40 лет работы), сформулировав понятие ПДД как «такой дозы, которая не должна вызывать значительного повреждения человеческого организма в любой момент времени на протяжении его жизни». В 1953 году Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (которая была создана в 1925 году), ввела в практику общеприменимую дозовую величину - поглощенную дозу вместо рентгена, который стал применяться как единица экспозиционной дозы. В 1958 году, на основе новых научных данных, МКРЗ снизило ПДД до 0,6 Зв в возрасте до 30 лет. В бывшем СССР, в 1987 году ПДД была ограничена величиной 50 мЗв/год. В 1997 году Нормами радиационной безопасности Украины (НРБУ-97) для профессионалов (категория А - профессиональные работники, которые постоянно или временно работают с источниками ионизирующего излучения) принята ПДД равная 20 мЗв/год, для персонала (категория Б - лица не работающие непосредственно с источниками ионизирующего излучения, но по условиям работы или проживания могут подвергаться воздействию ионизирующего излучения) - 2 мЗв/год, а для населения - 1 мЗв/год. Основная физическая величина, характеризующая действие излучения на организм, находится в прямой зависимости от количества поглощенной энергии. Для измерения количества поглощенной энергии введено такое понятие, как доза излучения. Это величина энергии, поглощенной в единице объема (массы) облучаемого вещества. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Степень, величина и форма лучевых поражений, развивающихся у биологических объектов при воздействии на них ионизирующих излучений, в первую очередь зависят от величины поглощенной энергии излучения. Для характеристики этого показателя используется понятие поглощенной дозы, т.е. энергии, поглощенной массой облучаемого вещества. За единицу поглощенной дозы облучения принимается Джоуль на килограмм (Дж/кг) – Грей (Гр). Грей – поглощенная доза излучения, переданная массе облучаемого вещества в 1 кг и измеряемая энергией в 1 Дж любого вида ионизирующего излучения. В радиобиологии и радиационной гигиене широкое применение получила внесистемная единица измерения поглощенной дозы – рад (радиационная адсорбированная доза). I Гр =100 рад Для характеристики дозы по эффекту ионизации, вызываемо-му в воздухе, используется т.н. экспозиционная доза рентгенов-ского и гамма- излучений. Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и гамма- излучений является Рентген (Р). Рентген– единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 1 см3сухого атмосферного воздуха образуется около 2 млрд пар ионов). При этом существует следующая взаимосвязь доз экспозици-онной и поглощенной: Дэкс= 0,877 Дпогл. Поглощенная и экспозиционная дозы излучений, отнесенные к единице времени, называются мощностью поглощенной и экспозиционной доз. Мощность экспозиционной дозы гаммы-излучения измеряется в Рентген/час (Р/ч, мР/ч, мкР/ч). Мощность поглощенной дозы – это ЧУДПО " ИПиПКСЗ " количество энергии, поглощенной единицей биологической ткани за единицу времени (Рад/ч, Гр/ч). Виды измерений ионизирующих излучений В результате взаимодействия радиоактивного излучения с внешней средой происходит ионизация и возбуждение ее нейтральных атомов и молекул. Эти процессы изменяют физико-химические свойства облучаемой среды, в том числе и биологических объектов. Взяв за основу эти явления, для регистрации и измерения ионизирующих излучений используют следующие методы: 1. Физические: Ионизационный - под воздействием ионизирующих излучений в среде (газовом объеме) происходит ионизация молекул, в результате чего электропроводность этой среды увеличивается. Если в данную среду поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение электрического тока, то между электродами создается электрическое поле, в котором возникает направленное движение заряженных частиц: отрицательно заряженных - к аноду, положительно заряженных - к катоду, т. е. проходит так называемый ионизационный ток. Измеряя его величину, получают представление об интенсивности радиоактивных излучений. В качестве детекторов, работающих на ионизационном методе регистрации, чаще всего используются: Газоразрядные счетчики Гей-гера—Мюллера - цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока - анод. Система заполнена газовой смесью. При прохождении через детектор заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду - нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к образованию коронного разряда. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Ионизационные камеры - в них, как и в счетчике Гейгера, используется газовая смесь, однако напряжение питания в ионизационной камере меньше и усиления ионизации в ней не происходит. Пропорциональные (газоразрядные) счетчики различных типов - имеют такую же конструкцию, как и счетчик Гейгера, но за счёт подбора напряжения питания и состава газовой смеси при ионизации газа пролетевшей заряженной частицей не происходит коронного разряда. Под действием электрического поля создаваемого вблизи положительного электрода первичные частицы производят вторичную ионизацию и создают электрические лавины, что приводит к усилению первичной ионизации созданной пролетевшей через счётчик частицы в тысячу-миллион раз. Пропорциональный счетчик позволяет регистрировать энергию частиц. Полупроводниковый счетчик (твердотельная ионизационная камера) - устройство похоже на ионизационную камеру, но роль газа играет чувствительная область, в которой в обычном состоянии нет свободных носителей заряда. Попав в эту область заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием приложенного к напыленным на поверхность чувствительной зоны электродам напряжения, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. Заряд импульса тока несет информацию о количестве электронов и дырок и соответственно об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области. Если частица полностью потеряла энергию в чувствительной области, проинтегрировав токовый импульс получают информацию об энергии частицы. Полупроводниковые счётчики обладают высоким энергетическим разрешением. Другие счетчики: камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, стриммерная камера, пропорциональная камера, дрейфовая камера. Люминесцентный - основан на способности веществ к отсроченному или немедленному свечению под воздействием излучения. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Флуоресцентный счетчик - детектирование основано на способности некоторых веществ (активизированное серебро и др.) накапливать энергию от ядерных излучений. Впоследствии при нагревании или освещении ультрафиолетом энергия отдается и измеряется с помощью термолюминесцентных и стеклянных дозиметров. Сцинтилляционный счетчик - детектирование основано на способности атомов специальных веществ-сцинтилляторов возбуждаться под воздействием излучений и при возвращении в основное состояние испускать фотоны видимого света (сцинтилляции), которые улавливаются специальным прибором –фотоэлектронным умножителем. На выходе фотоэлектронного умножителя, появляется ток, по величине которого судят об излучении. Калориметрический - основан на измерении тепла, выделяемого в веществе при поглощении излучения. В медицинской практике не применяется из-за незначительного уровня тепловыделения и сложности его регистрации при дозах облучения, имеющих практическое клиническое значение. 2. Химические - в их основе лежит количественное определение изменений в химических растворах (цвета, прозрачности, выпадения осадков, выделения газа), которые возникают в результате поглощения энергии излучения. Калориметрический - фиксирование с помощью цветных реакций изменения вещества под воздействием ионизирующего излучения. Например, хлороформ в воде при облучении разлагается с образованием соляной кислоты, которая дает цветную реакцию с красителем; двухвалентное железо в кислой среде окисляется в трехвалентное под воздействием свободных радикалов воды, образующихся при ее облучении, а трехвалентное железо дает с красителем цветную реакцию. Изменение окраски растворов измеряется с помощью колориметра, по плотности окраски судят о дозе облучения. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Фотографический - основан на измерении степени почернения фотоэмульсии, т. е. на регистрации восстановления галогенидов серебра в фотопленке с дальнейшим качественным или количественным анализом. Прохождение ионизирующего излучения через фотоэмульсию делает затронутые им кристаллы галогенидов серебра способными к проявлению, при этом плотность почернения пропорциональна дозе облучения. Сравнивая плотность почернения с эталоном, определяют дозу облучения, полученную пленкой. На этом принципе основана работа индивидуальных фотодозиметров. 3. Биологические - основаны на способности излучений изменять биологические объекты. Величину дозы оценивают по уровню летальности животных, степени лейкопении, количеству хромосомных аберраций, изменению окраски и гиперемии кожи, выпадению волос, появлению в моче дезоксицитидина и др. Биологические методы не всегда точны и менее чувствительны по сравнению с физическими. Однако они незаменимы в случае определения относительной биологической эффективности тяжелых частиц с большой энергией, учете индивидуальных различий радиочувствительности, а также при невозможности определить дозу другими методами. Клинические - используется лишь для грубой оценки поглощенной дозы. Неточности в оценках дозы возникают из-за высокой вариабельности симптоматики у различных пациентов и влияния множества других факторов. Клиническая дозиметрия рекомендуется в случаях, когда не требуется большой точности дозиметрических исследований. Частота, сроки развития и степень тяжести симптомов имеют прямую зависимость от мощности. Например, начало рвоты через 2 часа и позже характерно для дозы облучения 1-2 Гр, через 1-2 часа - для дозы 2-4 Гр, через 30 мин-1 час - для дозы 4-6 Гр, менее, чем через 30 мин - для дозы 6-10 Гр. Гематологические - основаны на регистрации изменений в состоянии гемопоэтической системы, которая высокочувствительна к излучению. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Метод подсчета лимфоцитов - лимфоциты чрезвычайно радиочувствительны и реагируют в течение нескольких часов от начала облучения (даже в малых дозах по сравнению с другими клетками крови) Метод подсчета гранулоцитов - доза облучения до 2 Гр вызывает постепенную депрессию числа гранулоцитов до 50 % через 30 дней после облучения. Дозы 2-5 Гр вызывают начальное повышение числа гранулоцитов (сдвиг влево), которое обычно длится только часы и сопровождается затем резким снижением (из-за снижения образования и поступления в кровь зрелых гранулоцитов). Через 2 недели после облучения возникает еще один подъем гранулоцитов (абортивный) с дальнейшим резким снижением их числа за несколько дней (из-за выхода в кровь клеток, находившихся на заключительных стадиях дифференцирования, а потому менее чувствительных к облучению). Дозы более 5 Гр обычно вызывают резкое снижение с дальнейшим постепенным снижением содержания вплоть до агранулоцитоза в течение 3 недель. 4. Цитогенетические: Подсчет хромосомных аберраций - основан на анализе дицентриков и других аберраций хромосом. В случае высоких доз (> 1 Гр острого облучения) необходим для планирования терапии, при подостром облучении используется для определения риска развития стохастических эффектов. С помощью данного метода можно обнаруживать «ложные тревоги», когда доза, зарегистрированная на индивидуальном дозиметре действительно не получалась владельцем; подтверждать подлинное сверхнормативное облучение и обеспечивать альтернативную оценку дозы независимо от физических методов; подтвердить или опровергнуть подозреваемое облучение лиц, не носящих индивидуальные дозиметры. Возможные радиационно индуцированные повреждения ДНК: двойные разрывы, одиночные разрывы, повреждения оснований, сахаридов, сшивки ДНК-ДНК, ДНК-белок и др. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Чаще всего на практике используют Подсчёт количества дицентриков в лимфоцитах и FISH-метод (Fluorescent In Situ Hybridization) - предварительное окрашивание определённых участков ДНК различными флуоресцентными красителями (прямой метод) или нефлуоресцирующими метками с последующей обработкой флуоресцентными антителами (косвенный метод). Анализ упаковки хроматина - в оптическом микроскопе при окраске серебром на различных стадиях митоза видны основные структуры упаковки ДНК; по степени их повреждения судят о дозе облучения. 5. Ббиофизические - представлены методом электронного парамагнитного резонанса - основной прямой метод обнаружения свободных радикалов. 6. Расчетные - дозу излучения определяют путем математических вычислений; единственно возможный метод определения дозы от инкорпорированных радионуклидов. Радиометрия - процесс измерения количества радиоактивных изотопов и их концентрации в раз-личных объектах. Методы радиометрии используются в дозиметрии для определения доз излучения. В основу работы измерительных приборов положена количественная оценка физических явлений, сопровождающих взаимодействие излучений с веществом. Регистрирующий излучение прибор обычно состоит из трех основных частей: 1) детектора, датчика - чувствительного элемента, воспринимающего излучение, в который поступают частицы или кванты и с помощью преобразователя эффекта взаимодействия превращаются в электрические импульсы; 2) источника электрического питания; ЧУДПО " ИПиПКСЗ " 3) счетчика электрических импульсов, амперметра, интенсиметра - измерительного устройства, учитывающего степень изменений в облучаемой среде. Приборы делятся на: Дозиметры - используют для контроля доз внешнего облучения человека. - индивидуальные дозиметры - предназначены для определения индивидуальной дозы внешнего облучения конкретного человека - общие (групповые) дозиметры - определяют мощность дозы внешнего облучения, что позволяет использовать их для косвенного подсчета дозы внешнего облучения человека. Радиометры - используют для контроля доз внутреннего облучения человека. - прямые - предназначены для определения содержания радионуклидов в теле человека с дальнейшим подсчётом дозы внутреннего облучения. - косвенные - предназначены для определения содержания радионуклидов в объектах окружающей среды с целью определения возможной дозы внутреннего облучения. Таким образом, нами были рассмотрены физические и биологические аспекты ионизирующего излучения, методы измерения ионизирующего излучения. Дополнительная литература 1. Бекман И.Н. Ядерная физика. Лекции. - М.: Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова. Кафедра радиохимии, 2010. - 511 с. 2. Радиационная гигиена: учеб. для вузов / Л.А. Ильин, В.Ф. Кириллов, И. П. Коренков, 2010. - 384 с. - URL: http://vmede.org/sait/?id=Gigiena_rad_ilin_2010&menu=Gigiena_rad_ilin_2010& page=6. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " |