Реферат: Биологическое действие ионизирующих излучений

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

1. Общие закономерности биологического действия ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения обладают значительной биологической активностью. Они способны вызывать ионизацию молекул и разрывать химические связи любых молекулярных структур, а также образовывать свободные радикалы и тем самым инициировать длительно протекающие реакции в живых тканях. Ионизирующие излучения могут вызывать в клетках, тканях, органах и организме в целом ряд обратимых и необратимых изменений, следствием которых является нарушение нормальных биохимических и физиологических процессов.

Исследования показали, что воздействие ионизирующих излучений на биологические объекты можно охарактеризовать следующим образом.

Физический этап, который заключается в поглощении энергии ионизирующего излучения и приводит к ионизации и возбуждению атомов и молекул. Происходит передача энергии фотона или частицы одному из электронов атома. Ионам и возбужденным атомам свойственна повышенная химическая активность и они способны вступать в реакции, невозможные для обычных атомов. Длительность данного этапа составляет доли секунды.

Физико-химический этап. На данном этапе возможно образование разрывов связей в молекулах как за счет непосредственного взаимодействия с ионизирующим агентом, так и за счет внутри- и межмолекулярной передачи энергии возбуждения. Важное значение имеет наличие в облучаемой ткани воды и кислорода, которые определяют весь дальнейший ход развития радиационных повреждений. Процессы, происходящие на начальных физико-химических этапах лучевого воздействия, принято называть первичными.

В дальнейшем имеет место, так называемый биологический этап, когда химически активные вещества взаимодействуют с различными биологическими структурами, в результате отмечается как деструкция, так и образование новых, не свойственных для облучаемого организма соединений. Последующее развитие радиационных поражений организма проявляется в нарушении обмена веществ в биологических системах с изменением соответствующих функций.

При облучении биологических объектов и в соответствии с локализацией поглощенной энергии (в воде или в основном веществе) можно говорить о прямом и косвенном действии ионизирующего излучения.

При прямом действии происходит передача энергии излучения непосредственно молекулам на которые осуществляется данное воздействие. Это приводит их в возбужденное состояние, может произойти расщепление молекул и атомов, разрыв наименее прочных связей молекул, образование радикалов. Результатом прямого действия излучений могут быть ранние физиологические эффекты.

Косвенное действие излучений состоит в изменении молекул клеток и тканей, обусловленном продуктами радиолиза воды и растворенных в ней веществ, а не энергией излучения, поглощенной молекулами. Поскольку живой организм состоит на 65-70% из воды, она и поглощает значительную часть энергии ионизирующего излучения.

При взаимодействии ионизирующего излучения с водой (радиолиз воды) происходит выбивание электронов из молекул воды с образованием так называемых молекулярных ионов, несущих положительный и отрицательный заряд. Схематически этот процесс можно представить следующим образом:

Н2О -- Н2О+ + е1;

Н2О + е -1 -- Н2ОЇ

Возникающие ионы воды распадаются с образованием радикалов, которые взаимодействуют между собой:

Н2О+ -- Н+ + ОН,

Н2ОЇ -- Н + ОНЇ,

Н + ОН -- Н2О,

ОН + ОН -- Н2О2,

Н2О2 + ОН -- Н2О + НО2 .

Считается, что основной эффект лучевого воздействия обусловлен радикалами Н и ОН и особенно НО2 (гидропероксид), который обладает высокой окислительной способностью и образуется при облучении воды в присутствии кислорода (Н + О2 -- НО2). Эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем действии ионизирующего излучения. Так называемый кислородный эффект при облучении проявляется в том, что при снижении концентрации кислорода в период облучения уменьшается эффект лучевого воздействия. Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пероксиды водорода (Н2О2) и высшие пероксиды (Н2О4), которые обладают высокой токсичностью, но они быстро разлагаются в организме на воду и кислород.

Свободные радикалы вступают в химические реакции с органическими веществами, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушается обмен веществ, подавляется активность ферментов, замедляется и прекращается рост тканей, может наступить гибель клеток. В конечном итоге нарушается жизнедеятельность организма в целом.

Биологическая эффективность действия ионизирующих излучений во многом зависит от того, где находится источник облучения - вне организма или внутри его. Если источник облучения находится вне организма, то такое облучение называется внешним, а внутри - внутренним. Внешнее облучение создается гамма-содержащими радионуклидами, а также нейтронным и рентгеновским излучениями. Поражающее действие такого облучения зависит от мощности дозы, продолжительности воздействия, расстояния от источника до объекта облучения и защитных мер. Поскольку внешнее облучение может быть равномерным и неравномерным, важное значение имеет степень радиочувствительности тканей, органов и систем организма, которые подвергаются воздействию. Установлено, что наиболее опасно для здоровья человека равномерное непрерывное облучение всего тела, даже небольшими дозами. Менее опасно местное облучение, если облучаемые ткань, орган или система не обладают высокой радиочувствительностью, а также если облучение было многократным, малыми дозами и растянуто во времени.

При внутреннем облучении радионуклиды попадают в организм с продуктами питания (90%), питьевой водой (5-9%), воздухом (1-5%), а также через поврежденную кожу. Внутреннее облучение будет продолжаться непрерывно до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадется или же не будет выведено из организма.

При данном способе облучения имеют значение следующие факторы: распределение радиоактивного вещества в организме, вид излучения (б,, -излучатели), энергия излучения, период полураспада и период полувыведения радионуклида. В организме радионуклиды находятся в желудочно-кишечном тракте, затем поступают в кровяное русло и в последующем накапливаются в отдельных органах и тканях в зависимости от типа радиоактивного изотопа. Например, относительно равномерно по всему телу распределяются: тритий, углерод, железо, полоний; в костях накапливаются: стронций, радий, плутоний, цирконий; в мышцах: цезий, рубидий; в щитовидной железе накапливаются: йод, технеций и.т.д. Необходимо отметить, что скорость выведения различных радионуклидов из разных органов, тканей неодинакова. Чтобы оценить данный показатель используется понятие «период биологического полувыведения» радионуклида, который обозначает время, в течение которого количество данного радиоактивного вещества в органе или организме в целом уменьшится в два раза.

2. Радиочувствительность живых организмов, различных тканей и органов

Понятие радиочувствительность включает определенную реакцию биологических объектов, клеток, тканей органов и систем организма на облучение, которая проявляется соответствующими последствиями. Существует определенная зависимость между степенью, уровнем развития организмов и их чувствительностью к ионизирующим излучениям. Например, одноклеточные организмы значительно устойчивее, чем многоклеточные. Высокой радиочувствительностью обладают млекопитающие. В литературе часто используется в качестве критерия радиочувствительности такой показатель, как летальная доза, которая характеризует 50% -ю гибель взятых в опыт особей на 30-й день наблюдения после облучения (ЛД50/30). Данный показатель оказывается различным для отдельных классов живых организмов (табл. 5.1.).

Таблица 5.1.

Радиочувствительность различных представителей животного мира

Причины различия в радиочувствительности живых организмов к излучению до сих пор окончательно не установлены. Неодинаковую чувствительность холоднокровных и теплокровных организмов пытаются объяснить низкой температурой тела и замедленным обменом веществ у холоднокровных. Однако, температура тела и обмен веществ у птиц выше, чем у млекопитающих, но они более устойчивы к действию ионизирующих излучений.

Устойчивость к облучению насекомых и ракообразных объясняется присутствием в их организме повышенных количеств ряда веществ, которые обладают защитных действием. Так, у насекомых отмечается высокий уровень содержания каталазы, расщепляющей перекиси. У раков защитным действием обладают аминокислоты, амины и мелкие пептиды, участвующие в регуляции осмотического давления. Некоторую роль в радиочувствительности играет число хромосомных наборов в клетках. Считается, что диплоидные клетки более устойчивы, чем гаплоидные. Высказаны предположения, что радиочувствительность клетки прямо пропорциональна количеству ДНК.

Чувствительность млекопитающих к ионизирующему излучению зависит от физиологического состояния организма, условий его существования, индивидуальных особенностей. Более чувствительны к облучению новорожденные млекопитающие и старые животные. Первые за счет повышенной митотической активности клеток (особенно чувствителен к облучению эмбрион животных и человека), последние - за счет ухудшения способности клеток и тканей организма к восстановлению в силу возрастных особенностей. Значительно повышает радиочувствительность млекопитающих состояние беременности.

Доказано непосредственное влияние ионизирующего излучения на зародыш, плод и течение беременности. В период внутриутробного развития реакции на облучения и их последствия зависят от стадии развития, что обусловлено различной радиочувствительностью тканей и систем. У млекопитающих и человека наиболее чувствителен к облучению период основного органогенеза. Облучение в этот период вызывает различные уродства, аномалии развития и внутриутробную гибель. Когда облучение происходит в эмбриональный период, то развиваются аномалии органов и происходит гибель зародышей в 70-80% случаев. Плодный период характеризуется более низкой радиочувствительностью, однако увеличивается процент смертности после рождения. У плода, облученного в этот период может развиться острая лучевая болезнь, в результате чего у новорожденного замедляется рост, развитие, отмечаются анемия, лейкопения, кровоизлияния и другие патологические состояния. Одной из причин гибели плодов и новорожденных является нарушение системы кроветворения.

Нарушение процессов кроветворения наступает непосредственно в ходе лучевого воздействия, а дальнейшее развитие и проявление нарушений носят фазовый характер, что связано с разной радиочувствительностью клеток и с процессами восстановления в них. К самому высокорадиочувствительному органу можно отнести красный костный мозг, который при общем облучении поражается в первую очередь. При внешнем облучении животных дозами ЛД50/30 и выше в крови снижается количество эритроцитов. Установлено, что красный костный мозг обладает достаточно большой способностью к восстановлению, которая при среднелетальных дозах наступает через 4-7 суток после облучения, и к концу четвертой недели структура костного мозга и картина крови становятся близкой к нормальной. При летальных дозах облучения нормальное содержание клеток не восстанавливается.

Радиационное воздействие на лимфатическую ткань приводит к раннему разрушению лимфобластов и лимфоцитов в самой ткани и лимфоцитов в периферической крови. Облучение полулетальной дозой селезенки приводит к прекращению митоза и гибели части лимфоцитов, а также уменьшению размера и массы органа. Клетки вилочковой железы (тимоциты) погибают практически все в течение первых суток после облучения. Восстановление клеток до исходного уровня происходит за счет единичных неповрежденных клеток.

Характерной реакцией организма на лучевое воздействие является изменение количества лейкоцитов: в первые минуты и часы после облучения наблюдается незначительное их уменьшение; через 6-8 часов - увеличение на 10-15% от исходного уровня, а через 24 часа наблюдается резкое снижение до исходного уровня. Характер изменения количества лейкоцитов находится в прямой зависимости от дозы облучения, а также от вида животных. Время восстановления количества лейкоцитов до нормы составляет 2-3 месяца.

Наиболее чувствительными к радиационному воздействию клетками крови млекопитающих являются лимфоциты и при облучении дозой 0,6 Гр отмечается уменьшение их содержания. При облучении дозой ЛД50/30 наибольшее снижение регистрируется на 1-3 сутки. В этот период характерны и морфологические изменения клеток.

Согласно литературным данным, органы пищеварения проявляют определенные функциональные и морфологические реакции на облучение. По степени радиочувствительности они распределяются следующим образом: тонкий кишечник, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень. Поражение тонкого кишечника наблюдается при облучении дозами свыше 10 Гр.