Стадии формирования лучевого поражения. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений на биомолекулы. Кислородный эффект
Принципиальная особенность действия ионизирующих излучений - дистанционность воздействия источника на организм, т.е. способность проникать в биологические ткани, клетки, субклеточные структуры и повреждать их, вызывая одномоментную ионизацию атомов и молекул за счет физических взаимодействий и радиационно-химических реакций.
Под воздействием ионизирующего излучения изменяется электронная оболочка атомов. Вследствие этого меняются их химические свойства и возникают химические реакции, приводящие в некоторых случаях к тяжелым повреждениям органов и тканей.
Стадии формирования ионизирующих излучений:
1. Физическая стадия -поглощение энергии излучения облучаемой средой с возбуждением и ионизацией её молекул (длительность около 1*10-16 сек). Данный процесс практически не зависит от условий окружающей среды.
2. Физико-химическая стадия -возникновение активных в химическом отношении свободных радикалов, которые взаимодействуют между собой и с органическими молекулами клетки (длительность около 1*10-7 сек). Данный процесс слабо зависит от условий окружающей среды.
Свободные радикалы - это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбитали; они являются весьма реакционноспособными, т.к. имеют тенденцию спаривать свой электрон с аналогичным электроном в другом свободном радикале (окислители, акцепторы), либо удалять его из атома путём электронного излучения (восстановители, доноры).
3. Химическая стадия - появление биохимических повреждений биологически важных макромолекул - белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов (длительность порядка нескольких секунд). Данный процесс существенно зависит от условий окружающей среды: температуры, фазового состояния и т.д.
4. Биологическая стадия -формирование повреждений на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях и отдаленных последствий облучения (длительность сильно варьирует - часы, недели, годы - и определяется особенностями протекания патофизиологических процессов в различных органах и тканях; например, для развития опухоли или лучевой катаракты требуется значительно больше времени, чем для развития острой лучевой болезни).
Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений на биомолекулы:
В основе первичных радиационно-химических изменений могут лежать 2 механизма действия ионизирующих излучений:
1) прямое действие - молекулы претерпевают изменения непосредственно при взаимодействии с ионизирующим излучением.
2) косвенное действие - молекулы претерпевают изменения не непосредственно поглощая энергию от ионизирующих излучений, а получая её от других молекул.
Кислородный эффект - усиление лучевого повреждения в присутствии кислорода по сравнению с анаэробными условиями. Эффект объясняется тем, что в присутствии кислорода образуются дополнительные реакционноспособные радикалы, обладающие выраженным поражающим действием; кроме того, молекула кислорода обладает электроноакцепторными свойствами, активно взаимодействует с образующимися при действии излучения радикалами биологических молекул, фиксирует возникшие в них потенциальные повреждения и делает их труднодоступными для репарации.
Количественная мера кислородного эффекта - 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.
В дальнейшем кислород играет положительную роль: он необходим для нормальной работы системы репарации ДНК.
NB! Кислород в формировании лучевого повреждения ведёт себя двояко: усиливая первичные процессы повреждения в момент воздействия излучения он одновременно стимулирует процессы внутриклеточного восстановления после облучения.
Кислородный эффект зависит от ЛПЭ: с увеличением ЛПЭ он уменьшается и при действии, например, альфа-излучения исчезает.
На кислородном эффекте основаны методы управления тканевой радиочувствительностью, используемые в лучевой терапии опухолей:
1) оксигенорадиотерапия (оксибарорадиотерапия) - во время сеанса лучевой терапии больной дышит чистым кислородом при нормальном или увеличенном в 2-3 раза атмосферном давлении, при этом напряжение кислорода в здоровых тканях увеличивается незначительно (есть предел насыщения), а в опухоли давление кислорода поднимается до такого же уровня, но, по сравнению с исходным уровнем его содержание возрастает во много раз, следовательно, повышается и радиочувствительность опухолевой ткани.
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, что позволяет повысить дозу облучения на опухоль.