Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Оренбургская государственная медицинская академия Федерального агентства

по здравоохранению и социальному развитию» ГОУ ВПО ОрГМА Росздрава

Кафедра Мобилизационной подготовки здравоохранения и медицины катастроф

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

для студентов по курсу «Токсикология и медицинская защита»

Тема № 8. Введение в радиобиологию. Основы биологического действия ионизирующих излучений г. Оренбург - 2009 год.

Предмет, цель и задачи радиобиологии Предмет радиобиологии составляют многообразные проявления действия излучений на всех уровнях организации живого – от молекулярного до органического, а часто и популяционного, механизмы возникновения этих проявлений, влияние на развитие конкретных биологических эффектов условий воздействия радиации (вида излучения, его дозы, мощности дозы, ее распределения в пространстве, продолжительности облучения), модифицирующие воздействия на эффекты облучения факторов нерадиационной природы.

На грани со смежными неуками сформировались радиационная биохимия, радиационная иммунология, радиационная гематология, радиационная генетика, радиационная цитология и др.

Целью радиобиологических исследований являются познание закономерностей биологического действия ионизирующих излучений и обоснование таких важных прикладных аспектов, как:

- прогнозирование последствий радиационных воздействий;

- нормирование радиационных воздействий при работе с источниками ионизирующих излучений;

- разработка режимов поведения и защитных мероприятий при вынужденном пребывании в зонах действия ионизирующих излучений;

- разработка средств и методов профилактики радиационных поражений, диагностики и прогнозирования тяжести поражений, обоснование проведения при них неотложных мероприятий первой помощи и последующего лечения;

- разработка наиболее рациональных режимов терапевтического облучения и др.

В альянсе радиобиологии с другими дисциплинами оформились отдельные самостоятельные направления, такие, как радиационная гигиена и радиационная экология, радиобиология опухолей, космическая радиобиология и др. Одно из таких направлений – военная радиобиология. Таким образом, сегодня радиобиологию справедливо относят к числу фундаментальных наук, и излучение ее полезно не только для ориентировки в проблемах медицинской противорадиационной защиты.

Виды ионизирующих излучений и их свойства Ионизирующих излучения (ИИ) получили свое название по свойству, отличающему их от большинства остальных излучений – способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Все ИИ подразделяются на электромагнитные и корпускулярные.

Электромагнитные ионизирующие излучения В зависимости от источника электромагнитные ИИ подразделяются на тормозное, характеристическое и y-излучение. Тормозное излучение возникает при замедлении в электрическом поле (например, окружающем атомные ядра) ускоренных заряженных частиц. Характеристическое излучение обусловлено энергетическими перестройками внутренних электронных оболочек возбужденных атомов, а y-излучение является продуктом ядерных превращений радиоактивных элементов (радиоизотопов).

Совокупность тормозного и характеристического излучений называют рентгеновским излучением (в англоязычной литературе чаще употребляют термин «Xизлучение»). В земных условиях оно всегда имеет искусственное происхождение, в то время как y-излучение может иметь как искусственное, так и естественное происхождение.

Свойства электромагнитных ионизирующих излучений Общие со свойствами Отличные от свойств видимого света видимого света Распространяются Невидимы невооруженным глазом прямолинейно Не отклоняются в магнитном и Проникают сквозь непрозрачные для видимого глаза электрическом полях света материалы Имеют интенсивность, обратно Частично задерживаются различными материалами в пропорциональную квадрату прямой зависимости от плотности этих материалов расстояния до их источника Не отражаются от зеркальных поверхностей Не фокусируются оптическими линзами и не преломляются оптическими признаками Не дают интерференционную картину при пропускании сквозь обычные дифракционные решетки Ионизируют газы Изменяют цвет стекла, минералов Засвечивают фотопластинки, завернутые в светонепроницаемую бумагу Как будет показано далее, ионизация веществ лежит в основе биологической активности ИИ. Этот же феномен используется для их выявления и количественной оценки (дозиметрии).

Взаимодействие электромагнитного ИИ с атомами вещества может протекать в формах фотоэффекта, комптон-эффекта и образования электрон-позитронных пар.

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 лишь части энергии фотона; остальная энергия передается вторичному («рассеянному») фотону, который взаимодействует с атомами по механизму фотоэффекта или комптон-эффекта. При энергиях квантов от 0, до 2,0 МэВ (например, в случае проникающей радиации ядерного взрыва) на долю комптон-эффекта приходится до 99-100% поглощенной веществом энергии y- излучения.

Образование электрон-позитронных пар при прохождении y-кванта в непосредственной близости от ядра атома – это основной вид взаимодействия фотонов с веществом при их энергии более 50 МэВ, его удается наблюдать лишь в лабораторных условиях.

Образующиеся при поглощении квантов электромагнитного излучения ускоренные частицы (фотоэлектроны, комптоновские электроны)являются вторичным, но первостепенным по значимости фактором ионизации и возбуждения атомов в облучаемом веществе. Поэтому рентгеновы и y-лучи называют косвенно ионизирующими излучениями.

Коэффициент ослабления электромагнитных ИИ растет с увеличением порядкового номера в таблице Менделеева, а значит, и атомной массы входящих в вещество элементов. Поэтому наиболее эффективно экранируют от электромагнитных ИИ вещества, содержащие тяжелые металлы («защита экранированием»). Свинец и барий вводят в состав материалов, используемых при сооружении помещений для лучевой диагностики и терапии. «Защита экранированием» дополняется «защитой расстоянием», основанной на зависимости потока ИИ расстояния до его источника, и «защитой временем» - минимизацией времени воздействия ИИ на персонал.

К корпускулярным ИИ относят нейтроны и ускоренные заряженные частицы.

Нейтронное излучение возникает при бомбардировке атомного ядра ускоренной заряженной частицей или фотоном высокой энергии. Помимо лабораторных условий, такой путь реализуется при взрывах атомных боеприпасов, где источником этих частиц служат цепные реакции деления ядер 235 U или нейтронов – синтез ядер легких элементов – дейтерия (1D ), трития (1 Т 3) и лития (3 Li 6), происходящий при взрывах термоядерных (водородных) боеприпасов.

Так как нейтроны не имеют заряда, они не оказывают непосредственного влияния на электронную оболочку атомов, взаимодействуя только с ядрами. Сталкиваясь с ядрами, нейтроны либо отталкиваются от них (рассеяние), либо поглощаются ими (участие в ядерных перестройках). Ниже раскрывается содержание процессов взаимодействия нейтронов с атомами вещества.

Упругое рассеяние. При столкновении с ядрами углерода, азота, кислорода, фосфора нейтроны теряют 10 – 15%, а при столкновении с ядрами водорода - до 2/3 своей энергии. Потерянная нейтронами энергия передается «ядрами отдачи» - положительного заряженным частицам, имеющим высокую ионизирующую способность. Упругое рассеяние – основной путь потери энергии нейтронами, возникающими при атомных и водородных взрывах.

Неупругое рассеяние. В этом случае часть энергии расходуется нейтронами на возбуждение (разновидность колебательного движения) ядер-мишеней. В исходное состояние ядра возвращаются испуская фотоны y-излучения.

Ядерные перестройки. При поглощении ядрами нейтронов происходит выброс протонов, a-частиц, y-квантов, возникают искусственные радиоактивные изотопы (это явление называется наведенной активностью).

Образующиеся при взаимодействии нейтронов с веществом ускоренные заряженные частицы – ядра отдачи – вносят основной вклад в ионизацию и возбуждение атомов вещества. Поэтому нейтроны, так же как рентгеновы и y- лучи, называют косвенно ионизирующим излучением.

Проникающая способность нейтронов несколько меньше, чем у y-излучения, но существенно больше, чем у ускоренных заряженных частиц. При ядерных и водородных взрывах нейтронный поток распространяется на сотни метров, легко проникая сквозь стальную броню и железобетон. Энергия нейтронов наиболее эффективно передается ядрам легких атомов. Поэтому вещества, богатые атомами водорода, бериллия, углерода, находят применения в экранировании от нейтронного излучения. Тяжелые металлы, плохо задерживающие нейтроны, могут применяться для ослабления вторичного yизлучения, возникающего в легких материалах в результате неупругого рассеяния нейтронов и ядерных перестроек.

Ускоренные заряженные частицы – это перемещающиеся в пространстве источники электрического поля (поток электронов – -частиц,протонов, ядер атомов гелия – -частиц).Естественными источниками ускоренных заряженных частиц являются некоторые из природных диоизотопов. К искусственным источникам относятся искусственные радиоизотопы и ускорители заряженных частиц.

При прохождении через вещество заряженные частицы могут взаимодействовать с его атомами. Ниже раскрываются формы этого взаимодействия.

Упругое рассеяние – изменение траектории заряженной частицы в результате отталкивания от атомных ядер без потери энергии. Чем меньше масса частицы, тем больше ее отклонение от прямого направления. Поэтому траектории -частиц в веществе изломаны, а протонов и -частиц – практически прямые.

Неупругое торможение. Электрон при прохождении вблизи атомного ядра теряет скорость и энергию. При этом может испускаться фотон тормозного излучения, летящий в том же направлении, что и электрон.

Ионизация и возбуждение атомов в результате взаимодействия частицы с их электронными оболочками – основной путь потери энергии ускоренных заряженных частиц в веществе. Под действием их электрического поля происходит возмущение электронных оболочек атомом с переходом последних в возбужденное или ионизированное состояние. Способность ускоренных заряженных частиц непосредственно взаимодействовать с электронными оболочками атомов позволила определить их как первично ионизирующие излучения.

Проникающая способность ускоренных заряженных частиц, как правило, невелика.

Она прямо пропорциональна энергии, массе и квадрату скорости частицы. Напротив, связь проникающей способности с абсолютной величиной заряда частиц является отрицательной. Пробег -частиц в воздухе составляет десятки сантиметров, а -частиц – миллиметры. Одежда надежно защищает человека от воздействия этих лучей извне.

Однако поступление их источников внутрь организма является опасным, поскольку пробег - или -частиц в тканях превышает размеры клеток, что создает условия для воздействия излучения на чувствительные к нему субклеточные структуры.

Плотноионизирующие и редкоионизирующие излучения Первичные изменения атомов и молекул сводятся ионизации или возбуждению и качественно не зависят от вида действующего на них ИИ. Однако при одном и том же количестве энергии, поглощенной единицею массы вещества, микропространственное распределение этой энергии в облученном объеме различно. Это различие определяется линейной передачей энергии (ЛПЭ) – количеством энергии, передаваемой частицей веществу в среднем на единицу длины пройденного в нем пути:

Где Е – энергия частицы (эВ); x -путь частицы (мкм).

В зависимости от величины ЛПЭ все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие.

Плотноионизирующие и редкоионизирующие излучения Название ИИ Все электромагнитные ИИ; Протоны, другие ядра отдачи;

Редкоионизирующие излучения отличаются сравнительно высокой проникающей способностью, и в силу этого их энергия распределяется в объеме облучаемых тел более равномерно, чем в случае воздействия плотноионизирующих ИИ. Для микроскопических тел (по размерам сопоставимых с клетками) эта разница несущественна и различия в эффекте равных по энергии количеств излучения определяются исключительно величиной ЛПЭ. С величиной ЛПЭ прямо связана и относительная биологическая эффективность (ОБЭ) излучения в отношении микроскопических биообъектов.

При воздействии на вещество нейтронов образуются ядра отдачи, величина ЛПЭ которых велика. Поэтому и нейтроны относят к плотноионизирующим ИИ. Вместе с тем нейтроны обладают и большой проникающей способностью; образующиеся при их действии плотноионизирующие частицы возникают на разной глубине в толще облучаемого объекта.

Количественная оценка ионизирующих излучений. Основы дозиметрии Выявление ИИ и количественная оценка уровня радиационных воздействий называют дозиметрией. Для количественной характеристики уровня лучевого воздействия введено понятие дозы излучения. Применяются три основных вида дозы – экспозиционная, поглощенная, и эквивалентная.

Экспозиционная доза (Х) – мера количества ИИ, физическим смыслом которой является суммарный заряд ионов одного знака, образующихся при облучении воздуха в его единичной массе.

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Более часто, однако, применяется внесистемная единица экспозиционной дозы –рентген (Р), соответствующая образованию 2,1 109 пар ионов в 1см3сухого воздуха при нормальных условиях. 1 Кл/ кг = 3876 Р; 1Р = 2,5810 -4 Кл/кг.

Изменения, вызываемые излучением в воздухе и в других средах, количественно различны. Это связано с разным количеством энергии, передаваемой излучением одинаковым по массе количествам разных веществ. Учесть этот фактор можно выражая количество ИИ в единицах поглощенной дозы (D). Физический смысл поглощенной дозы – количество энергии, передаваемой излучением единичной массе вещества:

где Е- энергия излучения, поглощенная малой массой вещества m В системе СИ поглощенную дозу выражают в греях (Гр). 1 Гр = 1Дж/кг. Часто пользуются внесистемной единицей поглощения дозы – рад (аббревиатура «radiation absorbed dose»). Рад равен сантигрею (1 рад = 10-2Гр).

Непосредственно измерить биологически значимые величины поглощенных доз не всегда возможно из-за незначительности соответствующей им энергии. Так, при общем излучении человека массой 76 кг в смертельной дозе 4 Гр его телу сообщается энергия 305 Дж. Ее достаточно лишь для нагревания тела на 0,001 C. Поэтому непосредственно измеряется, как правило, экспозиционная доза ИИ, а поглощенная доза рассчитывается с учетом свойств облучаемой среды. В воздухе 1 рентген соответствует 0,89 рад, а в тканях организма в среднем 0,95 рад.

Эквивалентная доза. Различные ИИ вызывают в биосистемах количественно различные эффекты даже при одинаковой поглощенной дозе.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы служит зиверт (Зв), а внесистемный единицей является бэр (аббревиатура «биологический эквивалент рада»). 1 Зв = 100 бэр.

Приборы, предназначенные для измерения дозы облучения объекта внешним источником, называются измерителями дозы (дозиметрами).

Мощность дозы излучения (уровень радиации). Этот показатель характеризует интенсивность лучевого воздействия. Мощность дозы понимают как дозу (экспозиционную, поглощенную и эквивалентную), регистрируемую за единицу времени.

В системе СИ мощность экспозиционной дозы выражают в Кл/(кгс),т.е. А/кг. Весьма часто пользуются внесистемной единицей мощности дозы – Р/ч и ее производными (мР/ч, мкР/ч). Единицами мощности поглощенной дозы служат Гр/с, рад/с и их производные.

При длительных воздействиях недифференцированных потоков ИИ используют внесистемные единицы мощности эквивалентной дозы – Зв/год и бэр/год.

В зависимости от величины мощности дозы различают кратковременное, пролонгированное и хроническое облучение. Кратковременным облучение считается при мощности дозы свыше 0,02 Гр/мин. Непрерывное радиационное воздействие в течении нескольких месяцев или лет называют хроническим, а пролонгированное облучение занимает промежуточное положение между первыми двумя. В случае облучения организма человека, если не менее 80% всей дозы регистрируются не более чем за суток, облучение называется однократным.

В зависимости от распределения дозы во времени различают непрерывное и фракционированное облучение. Если доза ИИ разделена на части (фракции), чередующиеся с интервалами времени, в течении которых облучения не происходит, облучение называют фракционированным. Если эти интервалы меньше суток, то по результатам действия на человека фракционированное облучение приближается к непрерывному.

Значение мощности дозы излучения состоит в том, что при равной дозе облучения радиобиологические эффекты выражены тем сильнее, чем больше мощность дозы облучения.

Приборы, предназначенные для измерения мощности дозы облучения объекта из внешнего источника, называются измерителями мощности дозы (рентгенметрами).

По происхождению источники ИИ подразделяются на естественные и искусственные.

В промышленно развитых странах от естественных источников население получает около 2/3 суммарной дозы облучения. Медицинские процедуры (лучевая диагностика и лучевая терапия) обусловливают около трети этой дозы, а вклад в нее атомной энергетики, других мирных форм применения источников ИИ и испытаний ядерного оружия пренебрежимо мал. Влад основных источников ионизирующих излучений в облучение населения промышленно развитых стран: профессиональное облучение – 0,06%, атомная энергетика – 0,006 %, естественный радиационный фон – 70%, облучение в медицинских целях – %, испытания ядерного оружия – 0,3%.

Радионуклиды как источник радиационной опасности.

Радиоактивность. Параметры радиоактивного распада.

Установлено, что источником ИИ, испускаемых радиоизотопами, служат внутриядерные перестройки, сопровождающиеся распадом атомного ядра и образованием нового химического элемента. Химические элементы, имеющие атомные ядра, подверженные самопроизвольному радиоактивному распаду, получили название радионуклидов.

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивного элемента. Интервал времени, в течение которого распадается половина атомов радионуклида, называется периодом полураспада.

Период полураспада является одной из основных характеристик радиоактивного вещества, поскольку его величена строго постоянна и не зависит от условий внешний среды. Если период полураспада измеряется секундами – часами, говорят о короткоживущих радионуклидах, если годами – о долгоживущих радионуклидах. Период полураспада основного природного изотопа урана – 238 U – составляет 4,5 млрд лет.

По характеру испускаемых ИИ радионуклиды делят на - и -излучатели. Наряду с этими корпускулами, некоторые радионуклиды излучают также -кванты. Характер излучения весьма важен для обнаружения радионуклидов во внешней среде и в организме. -Лучи легко проникают наружу из толщи тел, содержащих радиоактивные вещества. Поэтому наличие -состовляющей ИИ радионуклидов способствует их выявлению и измерению их количества.

Количество радиоактивных веществ. Радиометрия.

Выражать количество радиоактивных веществ в традиционных единицах (массы, веса или объема) неудобно из-за незначительности этих величин для биологически значимых количеств радионуклидов, а также из-за того, что последние, как правило, находятся в смеси с нерадиоактивными веществами и друг с другом. Поэтому критерием оценки количества радиоактивных веществ, служат их радиоактивность (активность), т.е.

способность к испусканию ИИ. В системе СИ за единицу радиоактивности принят распад в секунду (беккерель, Бк), а традиционной единицей служит кюри (Кu).

Активность, отнесенная к единице объема или единице массы зараженного радионуклидами вещества, называется удельной активностью. Активность, отнесенная к единице площади зараженной радионуклидами поверхности, называется плотностью поверхностного радиоактивного заражения. Выявление радиоактивных веществ и количественна оценка их содержания в различных объектах и на поверхностях называется радиометрией. В связи с тем что радиоактивные вещества определяются по испускаемым ими ИИ, для радиометрических исследований могут применятся некоторые дозиметрические приборы, в частности измерители мощности дозы -излучения.

Активность – главный параметр, определяющий дозу облучения тканей, а следовательно, и повреждающей эффект радионуклидов при поступлении в организм и при наружном радиоактивном заражении тела. Вместе с тем, опасность радионуклидов зависит от агрегатного состояния и других химических свойств (адгезивности, липофильности) содержащих их радиоактивных веществ, а также от характера поступления, распределения и выявления радионуклидов из организма.

Источники радионуклидов. Радионуклиды в природе и народном хозяйстве.

Ранее отмечалось роль радионуклидов как источника естественного радиационного фона. Его земная составляющая включает в себя внешнее и внутреннее облучение от радионуклидов, присутствующих в земной коре и атмосфере.

Внешнее облучение организма на уровне моря обусловлено, в основном, излучением радионуклидов уранового ряда, присутствующих в грунте и строительных материалах.

Внутреннее облучение организма обусловливают преимущественно радиоизотопы, происходящие из земной коры (37 K, 238 U и радионуклиды уранового ряда). Включение в состав организма (инкорпорация) радионуклидов происходит в основном за счет их поступления с пищей. Поэтому интенсивность внутреннего облучение зависит от состава почв и характера питания населения. Так, например, десятки тысяч людей на Крайнем Севере питаются в основном мясом северного оленя, в котором в высокой концентрации присутствует изотопы уранового ряда -210 Po и 206 Pb. Они попадают в организм олений зимой, когда единственным источником корма животных служат лишайники, накапливающие оба радионуклида. Дозы внутреннего облучения от 210 Po и 206 Pb при этом в 35 раз превышают средний уровень. А в Западной Австралии, на почвах с повышенной концентрацией 238 U, облучение, обусловленное этим радионуклидом, в раз происходит средний уровень у аборигенов, питающихся мясом и требухой овец и кенгуру. Радионуклидом уранового ряда, проникающим в организм ингаляционным путем, является радон (222 Rn). Этот инертный газ высвобождается из почв и строительных материалов, накапливаясь в закрытых проветриваемых помещениях. Воздействуя на бронхиальный эпителий - и -излучением, радон и радиоактивные продукты его распада оказывают канцерогенный эффект. Задолго до открытия радона вызываемое этим радионуклидом заболевание (позже идентифицированное как рак легких) наблюдал у работников плохо вентилируемых шахтах Парацельс, в 1567 г.

В процессе хозяйственной деятельности человека возникает необходимость концентрировать радионуклиды, находящиеся в природном сырье (этот процесс называется обогащением), и накапливать их большие количества в ограниченных объемах. Некоторая часть радиоактивных изотопов, используемых в народном хозяйстве и научных исследованиях, никогда не встречается в естественных условиях. В отличие от естественно- радиоактивных веществ, встречающихся в природных минералах, искусственно- радиоактивные вещества образуются в ходе ядерных реакций при целенаправленной бомбардировке природных изотопов нейтронами или тяжелыми ускоренными заряженными частицами.

К техногенным объектам, содержащим радиоактивные вещества, относятся атомные энергетические установки, атомные исследовательские реакторы, объекты радиохимического производства, а так же боевые части ядерного оружия. Кроме того, диагностики(радиография), лучевой терапии (внешнее, внутреннее облучение), при дефектоскопии промышленных изделий, при изготовлении постоянно светящихся (люминесцентных) красок. Радионуклиды служат весьма ценным средством научных исследований. Так, радиоизотопные методы применяются для излучения метаболизма у человека, животных и растений. В среднем, доза облучения организма человека от радиоактивных изотопов техногенного происхождения на порядок меньше, чем от природных.

Роль радионуклидов техногенного происхождения как источника облучения организма существенно возрастает при радиационных авариях и применении ядерного оружия.

Радиобиологическими эффектами называются изменения, возникающие в биологических системах при действии на них ИИ. Сложность организма как биологической системы предопределяет многообразие радиобиологических эффектов.

Критериями их классификации служат уровень формирования, сроки появления, локализация, характер связи с дозой облучения, значение для судьбы облученного организма, возможность передачи по наследству последующим поколениям и др.

Классификация радиобиологических эффектов.

На молекулярном уровне облучение биосистем вызывает набор характерных изменений, обусловленных взаимодействием биомолекул с самим излучением либо продуктами радиолиза воды. К таким изменениям 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. Например, после облучения в дозе 10 Гр в клетке оказываются поврежденными 0,015% молекул олигосахаридов, 0,36% - аминокислот, 1% - белков и 100% - нуклеиновых кислот. С уязвимостью ДНК и ее уникальной ролью генетической матрицы связана ведущая роль повреждений ДНК как основы радиобиологических эффектов, формирующихся на более высоких иерархических уровнях биосистемы. Во время митоза повреждения ДНК в клетке проявляются хромосомными аберрациями, основными видами которых являются фрагментация хромосом, формирование хромосомных мостов, дицентриков, кольцевых хромосом, внутри- и межхромосомных обменов и т.п.. Однако многие клетки погибают после облучения еще до митоза, а следовательно, и до появления хромосомных аберраций.

На клеточном уровне воздействие ИИ вызывает интерфазную или репродуктивную гибель клеток, временный блок митозов и нелетальные мутации.

Действия ИИ на системном уровне характеризуется цитопеническим эффектом, в основе которого лежат, преимущественно, гибель клеток и радиационный блок митозов.

Радиобиологические эффекты, возникающие на уровне организма и популяции, классифицируются в соответствии с критериями, перечисленными ниже.

По этому признаку радиобиологические эффекты, возникающие в организме и популяция, принято подразделять на ближайшие и отдаленные. Ближайшие эффекты проявляются в сроки до несколько месяцев после облучения и связаны с развитием цитопентических состояний в различных тканевых системах организма. Примерами ближайших эффектов облучения могут быть 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. Несмотря на причинную связь с облучением, отдаленные радиобиологические эффекты не являются специфическими для радиационного воздействия – эта патология вызывается и не лучевыми факторами. Примерами отдаленных последствий облучения являются опухоли, гемобластозы, гипопластические, дистрофические, склеротические процессы.

Интегральным проявлением этих последствий служит сокращение продолжительности жизни организмов, перенесших острое лучевое поражение. В случае общего внешнего однократного облучения млекопитающих данный эффект составляет 2-6% средней видовой продолжительности жизни на каждый грей, хотя в области малых доз облучения (по разным данным, менее 4-15 сГр) он, по-видимому, не проявляется.

Радиобиологические эффекты могут быть классифицированы в зависимости от органа или части тела, в которых они регистрируются. Весьма актуальная такая классификация в практике лечения онкологических заболеваний, когда пораженный опухолью участок тела облучается в высокой дозе при тщательном экранировании здоровых тканей. При локальном облучении органа или сегмента тела наиболее сильное поражающее действие ИИ проявляется именно в нем (такой эффект называется местным действием ИИ). Однако изменения возникают и в необлученных тканях. В последнем случае говорят о дистанционном действии ИИ. Его примером может служить уменьшение числа миелокариоцитов в костном мозге экранированной конечности после облучения животных. Данный эффект обусловлен миграцией форменных элементов в опустошенные участки кроветворной ткани, подвергшиеся облучению, подавлением митотической активности «радиотоксинами», поступающими с кровью в экранированные ткани из облученных, физиологическим стрессом, сопровождающим облучение. Конечно, эти факторы влияют и на ткани в зоне облучения, однако в ней непосредственное действие ИИ преобладает над опосредованным.

Местное действие ИИ имеет решающее значение для возникновения не только ближайших, но и отдаленных радиобиологических эффектов. Поэтому для оценки риска канцерогенного эффекта, сопровождающего неравномерное облучение, каждому органу присвоен взвешивающий коэффициент, величина которого меньше 1. Умножением эквивалентной дозы облучения органа на соответствующий ему взвешивающий коэффициент получают эффективную дозу облучения органа. Суммируя эффективные дозы для органов, подвергшихся облучению, получают эффективную дозу неравномерного облучения организма. Последняя численно равна эквивалентной дозе равномерного облучения организма, при которой вероятность развития потенциально смертельной опухоли соответствует рассматриваемому варианту неравномерного облучения.

Как правило, радиобиологические эффекты неблагоприятным образом сказываются на биологическом объекте. Исключением из этого правила является горметический эффект. Радиационный гормезис проявляется повышением жизнеспособности организмов под влиянием облучения в малых дозах. О возможности такого феномена свидетельствуют следующие факторы.

- Всхожесть и энергия прорастания семян может быть повышена их предпосевным облучением.

- Выращивание животных в условиях изоляции от естественного радиационного фона сопряжено со снижением неспецифической резистентности относительно контрольного уровня.

- У населения территорий, имеющих высокий уровень природного радиационного фона (до 175 мЗв в год), не наблюдается более высокой онкологической заболеваемости, чем в контрольных популяциях. Поскольку повышение заболеваемости, сопряженное с повышенным облучением, вытекает из гипотезы о беспороговости канцерогенного действия ИИ, этот факт не может быть объяснен без допущения о стимулирующем действии малых доз ИИ на неспецифическую резистентность организма (т.е. о горметическом эффекте).

- Прием радоновых ванн, сопровождающихся облучением организма в малых дозах, обладает положительным влиянием на функциональное состояние и резистентность организма.

Реальность горметического эффекта признается не всеми специалистами.

Возможность передачи по наследству последующим поколениям. Изменения в генетическом аппарате клеток человеческого организма могут быть унаследованы потомством лишь при условии, что эти изменения возникают в половых клетках.

Мутации соматических клеток в естественных условиях не наследуются (такая возможность создается лишь при клонировании организма). Поэтому практически важно разграничивать соматические (возникающие в соматических клетках) и генетические (индуцируемые при воздействии ИИ на половые клетки) радиобиологические эффекты.

При общем излучении организма важно ожидать появления как соматических, так и генетических эффектов.

Следует подчеркнуть, что все генетические эффекты облучения проявляются в виде врожденных признаков. В тоже время далеко не все врожденные признаки являются проявлением генетических эффектов облучения. Наблюдая за лицами, родители которых были облучены до зачатия во время атомных бомбардировок Японии, не выявили значимого возрастания частоты врожденных дефектов. В то же время риск таких дефектов чрезвычайно высок при равном по дозе лучевом воздействии на эмбрион или плод – особенно при облучении беременной женщины в сроки с 8-й по 15-ю неделю беременности. В последнем случая врожденными являются изменения, обусловленные не генетическими, а соматическими эффектами облучения плода.

Начальные этапы биологической стадии в действии ионизирующих излучений.

В действии ионизирующих излучений на биологический объект выделяют несколько стадий.

В стадии физических процессов образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, случайным образом распределенные в веществе, поскольку вероятность поглощения энергии тем или иным атомом, из которых построены биологические молекулы, практически одинакова.

На стадии физико-химических явлений поглощенная энергия мигрирует по макромолекулярным структурам и распределяется между отдельными биомолекулами, что сопровождается разрывами химических связей там, где эти связи менее прочны.

Поэтому, хотя на физической стадии поглощение энергии различными молекулярными структурами было не избирательным, по окончании физико-химической стадии разрывы связей обнаруживаются преимущественно в определенных структурах. В белковых молекулах – это аминокислоты, содержащие спаренные арильные радикалы ( например, триптофан), а также тиоловые и дисульфидные группировки; в нуклеиновых кислотах – это азотистые (в первую очередь, пиримидиновые ) основания. Разрывы химических связей приводят к образованию свободных радикалов, отличающихся очень высокой химической активностью.

Во время химической стадии образовавшиеся свободные радикалы вступают в химические реакции как между собой, так с другими молекулами.

Названные эффекты могут быть следствием поглощения энергии излучения самими макромолекулами белков, нуклеопротеидов, структурами внутриклеточных мембран. В это случае говорят о прямом действии излучения. Энергия излучения может также поглощаться молекулами воды, которые подвергаются радиолизу. Повреждение биомолекул химически высокоактивными продуктами радиолиза воды называют непрямым действием излучения.

Рассмотренные стадии в действии излучений получили наименование первичных.

Они осуществляются в течение чрезвычайно короткого промежутка времени ( в пределах 1 миллисекунды) и являются общими для действия излучений как на живую, так и на неживую материю.

Биологическая стадия, сущность которой составляют вторичные, так называемые радиобиологические эффекты, прослеживаемые на всех уровнях организации живого, занимает значительно большее время и продолжается в течение всей жизни.

Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем Относительное количество молекул малого размера, повреждаемых в течении первичных стадий действия излучений, невелико. При дозе облучения 10 Гр (абсолютно летальная доза для млекопитающих) из числа молекул, находящихся в клетке, доля поврежденных составляет для углеводов 0,015%, для нуклеотидов – 0,023%, для аминокислот – 0,36%. Такое незначительное число поломок молекул, из числа содержащихся в клетке, не может существенно сказаться на жизнедеятельности клетки.

Если эти малые молекулы являются компонентами полимерных соединений, их относительная поражаемость оказывается еще меньшей. Однако, в расчете на одну макромолекулу, в полимерах с большой молекулярной массой число повреждений может быть достаточно большим. В растворах белков при облучении их в той же дозе возникает 1 повреждение на 100 молекул, а в молекулах ДНК – 220 на 1 молекулу. В каждой молекуле ДНК оказываются пораженными около 10 нуклеотидов.

Наиболее биологически значимыми в облученной клетке являются изменения ДНК.

Это повреждения, лежащие в основе одиночных и двойных разрывов цепочек ДНК:

химическая модификация пуриновых и пиримидиновых оснований, их отрыв от цепи ДНК, разрушение фосфоэфирных связей в макромолекуле, распад дезоксирибозы. Кроме того, наблюдаются повреждения ДНК-мембранного комплекса, разрушение связей ДНКбелок, повышающее уязвимость ДНК при атаке вторичными радикалами и ферментами, сшивки ДНК – ДНК и ДНК-белок, нарушения вторичной, третичной и четвертичной структур этого биополимера.

В липидной фракции в присутствии кислорода вследствие активации свободнорадикальных процессов накапливаются продукты перекисного окисления, в первую очередь перекиси и гидроперекиси ненасыщенных жирных кислот. В ряде случаев окислительные процессы в липидах могут принять цепной характер. Липиды являются структурными компонентами внутриклеточных мембран, и их повреждение приводит к существенному нарушению метаболических процессов в клетке, вносит значимый вклад в патогенез лучевого поражения. Некоторые продукты перекисного окисления липидов (гидроперекиси, перекиси, эпоксиды, альдегиды, кетоны) обладают выраженными радиомиметическими свойствами: под их влиянием в клетках возникают повреждения, во многом сходные с теми, которые вызываются самим облучением. Такие продукты получили наименование первичных радиотоксинов. Липидные радиотоксины, в частности, изменяют свойства внутриклеточных мембран, их проницаемость, способствуют высвобождению ферментов. Они нарушают регуляцию биохимических процессов, вызывают глубокие нарушения ультраструктуры клеток.

Активации процессов перекисного окисления липидов способствует снижения активности собственных антиокислительных систем клетки. Это обусловлено как радиационными разрушением естественных антиокислителей в клетке, которыми являются в первую очередь фосфолипиды, так и разрушением фосфолипидов в результате активации цепной окислительной реакции.

К первичным радиотоксинам относят также образующиеся в облученных клетках продукты окисления фенолов – хиноны и семихинолы.

Изменения обнаруживаются и в других молекулярных компонентах клетки.

Наблюдаются повреждения азотистых оснований и разрывы цепей РНК, распад мукополисахаридов, в частности гиалуроновой кислоты, нарушения первичной (в следствии избирательного поражения отдельных аминокислот) и вторичной структур ферментов, изменения их функциональных свойств и химических характеристик и т. п.

Клетки представляют собой основные ячейки жизни, в которых формируются начальные эффекты лучевых воздействий, приводящие к поражениям, проявляющимся позднее на более высоких уровнях биологической организации – тканевом, органном, системном, организменном. Поэтому в радиобиологии особое внимание уделяют процессам, развивающимся после облучения именно в клетках.

В живой клетке постоянно осуществляется обмен веществ с внешней средой, между отдельными внутриклеточными структурами. Молекулярные повреждения, возникшие в клетках на начальных стадиях действия ионизирующих излучений, изменяют ход обменных процессов, осуществляющихся при участии поврежденных структур.

Поскольку локализация и характер первичных повреждений в той или иной молекулярной структуре клетки носят в значительной степени вероятностный характер, весьма разнообразны и связанные с ними изменения метаболизма.

Нарушение метаболических процессов в свою очередь приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке.

Этот феномен получил наименование биологического усиления первичного радиационного повреждения. Однако, наряду с этим, в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций.

Биологическое усиление радиационного поражения Наиболее значимые для судьбы облученной клетки изменения нуклеинового обмена, белкового обмена, окислительного фосфорилирования.

Практически сразу после облучения в делящихся клетках замедляется синтез ДНК.

Активируются эндо- и экзонуклеазы, вследствие чего повышается ферментативный гидролиз молекул ядерной ДНК; увеличение проницаемости внутриклеточных мембран способствует поступлению ферментов во внутриядерное пространство, повышает доступность я ной ДНК для ферментативной атаки. Распад ДНК приводит к повышению содержания в тканях полидезоксинуклеотидов. В крови и моче облученных нарастает количество нуклеотидов и продуктов их разрушения - азотистых оснований, нуклеозидов, мочевой кислоты и др.

Синтез РНК снижается в меньшей степени, чем ДНК. Отчасти нарушение синтеза РНК зависит от повреждения матричных структур ДНК.

Повреждение мембран лизосом и выход за их пределы протеаз способствуют в ранние сроки после облучения активации процессов протеолиза. Эта активация проявляется повышением уровня свободных аминокислот и других аминосоединений в тканях и жидкостях организма, аминоацидурией, развитием отрицательного азотистого баланса.

повышается активность протеолитических ферментов в крови, тканях, моче. Нарушается активность ингибиторов протеаз. Активация протеолиза не всегда является выражением процессов, происходящих в сохранивших жизнеспособность клетках. Она может отражать завершение деструкции уже погибших клеток.

Биосинтез белка нарушается мало. Однако продолжающийся синтез белка в сочетании с глубоким снижением или даже прекращением синтеза ДНК может привести к серьезным нарушениям структуры и пространственной организации нуклеопротеидных комплексов. Распад комплекса ДНК — гистон облегчает доступ мутагенов к освобожденным от связей с белком участкам ДНК.

Интенсивность потребления кислорода существенно не изменяется. Однако в первые часы после облучения иногда наблюдаются признаки тканевой гипоксии. В высоко радиочувствительных клетках уже после облучения в сравнительно невысоких дозах отмечается нарушение окислительного фосфорилирования, проявляющееся снижением коэффициента Р/0.

В клетках кроветворных тканей угнетение окислительного фосфорилирования выявляется уже через 2—4 ч после облучения, параллельно с глубоким распадом ДНК. По мнению ряда исследователей, нарушение синтеза АТФ является пусковым звеном в послелучевой деградации ДНК. Нарушение синтеза макроэргов может сказаться и на развитии восстановительных процессов, в частности на работе системы ферментов репарации ДНК. Таким образом, подавление окислительного фосфорилирования играет заметную роль в радиационном поражении генетических структур клетки.

Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование в клетках перенесшего облучение организма, как правило, довольно быстро восстанавливаются.

Одновременно в ответ на возникшие первичные повреждения в облученной клетке активируются репарационные системы, деятельность которых направлена на устранение возникших повреждений. Наиболее важной из них является система ферментативной репарации повреждений ДНК. Повреждения биомолекул других типов чаще всего не являются фатальными для клетки: продукты их распада могут быть удалены из клетки, а функцию инактивированных соединений могут взять на себя сохранившиеся молекулы того же строения. Молекулы ДНК уникальны, и в случае повреждения их функция не может быть продублирована. При репликации нарушенных матриц будут воспроизводиться дефектные копии — будут синтезироваться аномальные продукты, например ферменты с измененными характеристиками. Поэтому возникшие в результате облучения повреждения ДНК, во избежание развития тяжелых для клетки последствий, должны быть репарированы таким образом, чтобы исходное строение этого чрезвычайно сложно устроенного биополимера было точно восстановлено. В клетке существуют различные системы, способные репарировать большинство нарушений структуры ДНК, связанных с повреждением одной из комплементарных цепей, и даже значительную часть повреждений, захватывающих обе нити. Однако избыточная активность ферментов, обеспечивающих такую репарацию, может иногда привести к утяжелению повреждения генома клетки. Так, репарация повреждений ДНК представляет собой весьма энергоемкий процесс, в ходе которого расходуется значительное количество АТФ. Кроме того, в процессе репарации интенсивно потребляется АДФ, что снижает продукцию АТФ клетками. Возникающий в результате дефицит макроэргов может отрицательно сказаться на функциях особенно чувствительных к нему нервных клеток.

Существование в клетках механизмов и ферментных систем, обеспечивающих репарацию большинства начальных повреждений ДНК, эволюционно обусловлено необходимостью поддержания стабильности генома в условиях постоянно возникающих повреждений ДНК в результате воздействия естественного радиационного фона, присутствия в среде химических мутагенов, случайно возникающих в процессе жизнедеятельности клеток нарушений и сбоев. Если бы не было таких механизмов, жизнь была бы невозможна.

Судьба облученной клетки определяется соотношением эффективности процессов биологического усиления и репарации. Чем выше доза облучения, тем выше вероятность того, что в результате процессов биологического усиления появятся необратимые изменения, приводящие к гибели клетки, ее злокачественному перерождению, нарушению пролиферативной активности, ограничению дифференцировочных потенций, снижению функциональных возможностей и т. п. Чем ниже доза, чем меньше повреждений возникло в клетке, тем вероятнее восстановление от возникших повреждений, сохранение жизнеспособности и основных функций клетки.

Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность («радиационный блок митозов). Длительность задержки деления тем больше, чем выше доза (обычно не дольше суток).

Подавление синтеза ДНК не может рассматриваться как причина торможения митотической активности: последняя снижается ранее, чем начинает обнаруживаться уменьшение включения в ДНК меченых предшественников. Блок митозов объясняют нарушением процессов, регулирующих клеточное деление. В частности, может иметь значение нарушение образования веретена, обеспечивающего расхождение хромосом в митозе.

Задержка деления в клетках активно пролиферирующих тканей (таких, например, как костный мозг) является существенной причиной их опустошения после облучения.

К функциональным нарушениям в клетках могут быть отнесены и такие проявления, как снижение фагоцитарной активности нейтрофилов после облучения, изменения активности некоторых ферментов в этих клетках. При дозах облучения, превышающих несколько десятков грей, важным послелучевым эффектом является нарушение функциональной активности нервных клеток, связанное с дефицитом макроэргов, в результате расходования их предшественников в процессе репарации разрывов ДНК.

Важнейшим радиобиологическим эффектом является гибель клеток. Различают две основные ее формы: репродуктивную, т.е. непосредственно связанную с процессом деления клетки, и интерфазную, которая может произойти в любой фазе клеточного цикла.

Как указывалось ранее, радиационное повреждение уникальных молекул ядерной ДНК имеет особо важное значение для развития лучевого процесса. Однако, если речь идет о ДНК в неделящихся клетках, повреждение «немых» участков ее цепей может и не сказаться существенно на функциях этих клеток.

Для пролиферирующих же клеток значение повреждения ДНК трудно переоценить.

Необходимым подготовительным этапом к делению клетки является репликативный синтез ДНК. Двойная спираль ДНК разделяется на две самостоятельные нити, и на каждой из образовавшихся одиночных цепей, ставшими матрицами, достраивается парная к ней путем последовательного присоединения нуклеотидов, комплементарных матричным. В конце концов генетическая информация удваивается и клетка оказывается готовой к делению.

Если в результате облучения возникли повреждения ДНК, например двойные разрывы или сшивки, нормальная репликация делается невозможной. При формировании хромосом повреждения ДНК проявляются возникновением мостов, фрагментов и других типов хромосомных аберраций, многие из которых летальны, поскольку невозможно равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками. Эта форма гибели клеток (в митозе) получила наименование репродуктивной гибели.

Количество повреждений ДНК, возникающих в результате облучения, достаточно велико. Так, например, при облучении в дозе 1 Гр в каждой клетке человека возникает около 1000 одиночных и 100—200 двойных разрывов. Каждое из этих событий могло бы иметь фатальные последствия, если бы не существовало упоминавшихся ранее систем, способных ликвидировать большинство возникших повреждений ДНК. Клетки, успевшие репарировать повреждения ДНК до вступления в фазу митоза, способны к нормальному делению. Вызываемое облучением торможение процессов подготовки к делению объективно может благоприятно сказаться на судьбе клетки, поскольку в результате увеличивается время, необходимое для репарации лучевого повреждения. Сейчас большинство исследователей считают, что непосредственной причиной репродуктивной гибели клеток являются нерепарированные повреждения ДНК, прежде всего двойные разрывы цепей и повреждения ДНК-мембранного комплекса. Морфологически клетки, погибающие по репродуктивному типу; можно выявить в ана- или метафазе митоза, обнаружив в них хромосомные аберрации.

По интерфазному типу могут погибать как неделящиеся клетки так и делящиеся, но находящиеся вне фазы митоза. Чаще всего для возникновения интерфазной гибели требуется облучение в достаточно высокой дозе. Для некоторых типов клеток (миоциты, нейроциты) это десятки и даже сотни грей. В то же время такие клетки, как лимфоциты, тимоциты, ооциты, могут погибнуть уже после воздействия в дозах порядка десятых и даже сотых долей грея.

Механизмами интерфазной гибели клеток могут быть некрози апоптоз. Исходным событием для некроза клеток, подвергшихся облучению, является чаще всего вызванное активацией перекисного окисления липидов повреждение внутриклеточных мембран.

Повреждение и нарушает работу связанных с мембранами ферментов, подавляет процесс окислительного фосфорилирования. Повышение проницаемости мембран приводит к нарушению градиентов концентраций низкомолекулярных веществ в клетке, выходу лизосомальных протеаз и нуклеаз в плазму и проникновению их в ядро. Угнетается клеточное дыхание. В результате всех этих процессов развивается деградация нуклеопротеидных комплексов в ядре, происходит расплавление или (реже) пикноз ядра, цитолиз с выходом содержимого клетки за пределы клеточной мембраны.

В случае апоптоза происходит межнуклеосомная деградация хроматина, проявляющаяся позднее фрагментацией ядра. Распадается и цитоплазма, участки которой, окружающие осколки ядра, получили наименование «апоптотических телец». По существующим представлениям, процесс апоптоза запускается включением программы самоуничтоженияния клетки. Происходит активация участков генома, которые контролируют синтез ферментов, участвующих в деградации хроматина. Эту активацию могут вызывать стимулы, возникающие под влиянием разных| факторов, в том числе и вызванных облучением повреждений мембранных структур ядерного хроматина. Таким образом, апоптоз — это генетически опосредуемая программированная форма клеточной гибели. Механизм апоптоза особенно характерен для интерфазной гибели лимфоидных клеток, клеток кроветворной ткани.

Как при репродуктивной, так и при интерфазной формах гибели клетки наблюдается разрушение генетического материала. Однако в первом случае это разрушение происходит в результате прямого или непрямого действия радиации на уникальные структуры ядерной ДНК. В инициировании интерфазной гибели существенная роль принадлежит повреждениям иных структур — внутриклеточных мембран, ферментов, нарушению клеточного метаболизма, и лишь на конечных этапах поражается геном.

Важным для организма результатом некоторых типов лучевой модификации молекул ДНК является возникновение наследуемых повреждений генетического материала — мутаций, следствием которых может быть злокачественное перерождение соматических клеток. Причиной возникновения мутации могут стать и вызванная облучением дестабилизация ДНК, и процесс репарации ее повреждений. В обоих случаях облегчается внедрение онковирусов в геном клетки или происходит активация тех онковирусов, которые уже предсуществовали в геноме в репрессированном состоянии. Следствием мутации в зародышевых клетках могут стать дефекты развития у потомства облученных родителей.

Действие излучений на ткани, органы и системы. Радиочувствительность тканей.

Ткани организма весьма различаются по радичувствительности. Если гибель лимфоцитов или костномозговых клеток удается зарегистрировать после облучения в дозах, равных десятым долям грея, то мышечные и нервные клетки выдерживают нередко дозы в десятки грей. Определенная закономерность в распределении тканей по радиочувствительности отмечена еще в самом начале изучения биологического действия излучений в 1906 г. французскими учеными Бергонье и Трибондо. Ими было сформулировано правило, согласно которому ткани тем более радиочувствительны, чем выше пролиферативная активность составляющих их клеток, и тем более радиорезистентны, чем выше степень их дифференцировки.

Высокую радиочувствительность активно пролиферирующих клеток связывают с особой ролью при облучении повреждений уникальных структур ядерной ДНК (см.

выше). На тканевом уровне острое радиационное поражение проявляется нарушениями структуры и функции, зависящими прежде всего от клеточного опустошения ткани.

Хотя радиочувствительность тканей определяется главным образом радиочувствительностью составляющих эту ткань клеток, нельзя сбрасывать со счетов и опосредованные влияния радиации через поражение регулирующих систем — нервной, эндокринной. Кроме того, радиочувствительность органа зависит от его функционального состояния. Так, чувствительность обычно повышается при усилении функции органа (молочной железы в периоде лактации, щитовидной железы в состоянии гипертериоза и т.д.).

Во взрослом организме, в соответствии с правилом Бергонъе и Трибондо, непролиферирующие, высокодифференцированные нервные клетки высокорадиорезистентны. Однако это относится лишь к морфологическим проявлениям повреждения. Функциональные же реакции нейронов обнаруживаются в ответ на облучение уже в ничтожных дозах. Так, ранние изменения злектроэнцефалограммы появляются после облучения в дозе 0,5 мГр; облучение в дозе 1 мГр вызывает заметное удлинение времени рефлекса в ответ на электрораздражение. Спящие крысы просыпаются в результате облучения в дозе 0,01—0,02 Гр. Все это говорит о высокой реактивности элементов нервной системы но отношению к радиационным воздействиям.

Система крови относится к числу систем клеточного обновления, функционирование которых обеспечивает поддержание постоянного числа функциональных клеток, обладающих короткой продолжительностью жизни.

Послелучевые изменения, происходящие в системе клеточного обновления, будут рассмотрены на примере гранулоцитопоэза.

Одним из важных эффектов является приостановка клеточного деления (блок митозов), которая тем продолжительнее, чем выше доза облучения.

По выходе 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.

Наиболее радиочувствительны клетки стволового отдела и по критерию утраты способности к образованию колоний дочерних клеток число стволовых клеток резко снижается практически сразу после облучения. Высокой радиочувствительностью обладают и клетки пула пролиферации. Что же касается клеток пула созревания, то их радиочувствительность сравнительно, невысока, большинство этих клеток сохраняют жизнеспособность, созревают и выходят в периферическую кровь. В результате количество клеток в костном мозге, а затем и в периферической крови довольно быстро убывает. Вначале снижается число наиболее молодых, наиболее радиочувствительных клеток. Затем процесс опустошения захватывает все более зрелые отделы, так как созревание и выход в кровь созревших клеток продолжаются, а восполнения их числа за счет поступления из пролиферативного пула нет. Наконец, и в периферической крови развивается гранулоцитопения.

В клетках периферической крови облученных обнаруживаются морфологические и цитохимические изменения, что свидетельствуют о их неполной функциональной полноценности. Однако в основном клетки крови после облучения в дозах несколько грей (при острой лучевой болезни) выполняют свои функции удовлетворительно, и главной причиной клинических нарушений, связанных с поражением кроветворения, являются не качественные изменения в клетках, а уменьшение их количества.

Начало снижения содержания в крови отдельные видов функциональных клеток после облучения и срок, когда глубина этого снижения максимальна, зависят главным образом от времени, в течение которого клетки-предшественники находятся в составе пулов пролиферации, созревания, а также от продолжительности циркуляции в крови созревших клеток. Эти параметры различны как для разных клеточных линий, как и для разных видов животных, У человека прохождение предшественников гранулоцитов через пул пролиферации занимает 4—6 дней и примерно столько же времени — прохождение через пул созревания. Зрелые гранулоциты циркулируют в крови и среднем всего 8—10 ч.

В соответствии с названными сроками нейтропения у человека начинает обнаруживаться примерно через 5 сут после облучения, Продолжительность пребывания и в крови человека тромбоцитов оценивается в 6-8. дней и минимальный их уровень достигается через 2—2,5 нед.

Длительность жизни эритроцитов в крови составляет 100—120 дней. Поражение зрелых эритроцитов после облучения в дозах, составляющих несколько грей, невелико и поэтому даже в случае полного прекращения продукции новых эритроцитов их число в сутки может снизиться примерно на 1% и анемия развивается очень медленно (если не возникнет кровотечения).

Продолжительность блока митозов зависит от дозы облучения и составляет от нескольких часов до суток, редко более. После выхода из блока сохранившие жизнеспособность стволовые клетки возобновляют пролиферацию, создавая тем самым основу для восстановления морфологического состава костного мозга, а затем и крови.

Это восстановление числа стволовых кроветворных клеток можно наблюдать уже тогда, когда в крови только еще качался процесс опустошения. Однако, чтобы процесс восстановления в стволовом отделе реализовался увеличением числа зрелых функциональных клеток, необходимо время как для восстановления достаточного числа самих стволовых клеток, так и для прохождения клеток через пулы деления и созревания.

Выраженность цитопении (т. е. глубина, время достижения и продолжительность снижения содержания в крови клеток) нарастает с увеличением дозы облучения.

Поражение кроветворения и связанные с ним клинические проявления, в первую очередь инфекционные осложнения и повышенная кровоточивость, получили наименование костномозгового синдрома, который лежит в основе одноименной формы ОЛБ, развивающейся после облучения в дозах 1-10 Гр.

Радиационное поражение органов желудочно-кишечного тракта При общем облучении среди органов желудочно-кишечного тракта наиболее значимо поражение эпителия слизистой оболочки тонкой кишки, который является принципиально такой же системой клеточного обновления, как и костный мозг. Но если в костном мозге клетки разной степени созревания располагаются без видимого порядка, в слизистой оболочке кишки взаимное расположение клеток, относящихся к разным пулам, четко разграничено.

На дне крипт находятся стволовые клетки. По мере деления стволовых клеток и последующего их созревания клетки продвигаются по направлению к устью крипт и далее по стенке ворсинки к ее верхушке, откуда слущиваются в просвет кишки. Утрата клеток с ворсинок сбалансирована притоком вновь образованных клеток из крипт. Продвижение клетки от дна крипты до верхушки ворсинки занимает около 4 сут.

Как и в других системах клеточного обновления, в эпителии кишки после облучения наступает временный блок митозов, погибают прежде всего стволовые и другие делящиеся клетки. Созревающие и функциональные клетки, будучи радиорезистентны (Dо составляет 15 Гр), после облучения продолжают продвижение к верхушкам ворсинок и слущиваются. Эпителиальная выстилка кишки при отсутствии пополнения за счет клеточного деления быстро исчезает, ворсинки «оголяются» и уплощаются.

Стволовые энтероциты менее чувствительны к гамма - и рентгеновскому облучению, чем стволовые кроветворные клетки, вследствие более высокой активности в них систем внутриклеточной репарации повреждений ДНК. Поэтому опасное для жизни повреждение эпителия кишки происходит при более высоких дозах (порядка 10 Гр), чем дозы, достаточные для глубокого повреждения костного мозга (4—5 Гр). В случаях, когда доза общего облучения достигает величины, при которой повреждение кишки становится несовместимым с сохранением жизни организма, патологический процесс развивается очень быстро и уже к концу 3—5-х сут происходит полная денудация слизистой оболочки. Несовместимая с жизнью панцитопения в крови развивается значительно позднее.

Если в ранние сроки не наступит смертельного исхода, сохранившиеся стволовые клетки эпителия кишки обеспечивают его быструю регенерацию, восстановление структуры и функции кишечной стенки.

Описанные изменения слизистой оболочки тонкой кишки, достигающие в случае общего облучения максимальной выраженности при дозах, превышающих 10 Гр, лежат в основе развития так называемого кишечного синдрома.

Другие отделы желудочно-кишечного тракта менее радиочувствительны, чем тонкая кишка, и их повреждение при общем облучении чаще всего не имеет самостоятельного значения.

Во всех отделах желудочно-кишечного тракта после общего облучения в дозах, не доходящих до уровня, при котором типичным является развитие кишечного синдрома, могут наблюдаться эрозии, изъязвления, местные некрозы вплоть до перфорации кишечной стенки. Чаще всего возникновение этих проявлений связано с развитием вторичной инфекции и геморрагии на почве костномозгового синдрома. В практическом отношении наиболее важны некротическая энтеропатия и орофарингеальный синдром.

При местном облучении области живота в достаточно высоких дозах возможно возникновение некрозов и изъязвлений участков желудочно-кишечного тракта, подвергшихся воздействию.

Лучевое поражение центральной нервной системы Выраженные морфологические проявления поражения клеток центральной нервной системы наблюдаются, как правило, только после воздействия в дозах, приближающихся к 50 Гр и выше. Наиболее ранние изменения обнаруживаются в синапсах (слипание синаптических пузырьков в скоплениях, появляющихся в центральной части пресинаптических терминалов или в активной зоне). При световой микроскопии через 2 ч после облучения в таких дозах обнаруживается набухание клеток, пикноз ядер зернистых клеток мозжечка, реже — других нейронов, явления васкулита, менингита, хориоидального плексита с гранулоцитарной инфильтрацией. Максимум изменений приходится на 1-е сут после облучения. При более высоких дозах может наблюдаться ранний некроз ткани мозга.

При облучении в дозах 10—30 Гр в клетках центральной нервной системы обнаруживают угнетение окислительного фосфорилирования. Последнее связывают с дефицитом АТФ, расходуемого в процессе репарации вызванных облучением разрывов ДНК. Развиваются очаги так называемого реактивного состояния нервных клеток:

набухание нейронов, повышение аргирофильности. При этом погибают, как правило, лишь отдельные нейроны. Распространенные очаговые изменения в вегетативных ганглиях могут явиться одной из причин дискоординации функций внутренних органов.

Отмеченные изменения в нервных клетках неспецифичны для лучевого поражения и наблюдаются при действии некоторых токсических факторов. В значительной мере изменения нервных структур вторичны, т. е. являются следствием изменений в других системах в ходе развития лучевого поражения (токсемия, инфекционный процесс).

Уже отмечалась способность нервных клеток отвечать функциональными реакциями на воздействие даже малых доз облучения. К этому следует добавить, что на функции нервной системы могут повлиять и обильная патологическая афферентная импульсация из поврежденных радиочувствительных тканей, и токсические влияния продуктов клеточного распада, эндотоксинов, проникающих во внутреннюю среду из кишки, и т. п.

В ходе лучевой болезни выявляются изменения биоэлектрической активности коры головного мозга, в эксперименте регистрируются расстройства условно рефлекторной деятельности, особенно резко выраженные в терминальном периоде.

Расстройства нервной системы могут проявляться и непосредственными клиническими симптомами, как, например, при остром пострадиационном ЦНСсиндроме, при первичной реакции на облучение, которые будут рассмотрены позднее, и нарушениями регуляции вегетативных функций, процессов восстановления поврежденных тканей.

После облучения в дозах порядка нескольких десятков Грей нарушения функций центральной нервной системы лежат в основе развития церебральных нарушений, определяющих клиническую картину поражения организма.

Таким образом, хотя радиочувствительность нейронов и невысока, нарушения функций нервной системы могут иметь существенное значение для развития лучевого поражения.

Задачами военной радиобиологии являются: обоснование мероприятий, направленных на обеспечение радиационной безопасности личного состава войск в условиях воздействия факторов радиационной природы мирного и военного времени;

обоснование мероприятий медицинской противорадиационной защиты и лечебных вмешательств в условиях применения ядерного оружия, разрушения ядерных энергетических установок, радиационных аварий мирного времени; разработка средств медикаментозной профилактики острых радиационных поражений, средств повышения радиорезистентности человека, находящегося в условиях повышенной лучевой нагрузки, средств и методов оказания неотложных мероприятий в случае возникновения острых лучевых поражений, порядка применения этих средств в войсках.

Факторы, вызывающие поражения личного состава войск при ядерных взрывах и В случае применения ядерного оружия или крупномасштабных аварий на объектах ядерной энергетики на личный состав войск могут действовать различные виды ИИ, неблагоприятные факторы не лучевой природы, а также их комбинации. При ядерных взрывах именно эти воздействия выводят из строя личный состав войск, поэтому наиболее важные из них называются поражающими факторами ядерного взрыва.

К числу поражающих факторов ядерного взрыва относятся ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение местности (РЗМ) и электромагнитный импульс. Прямым поражающим действием на организм человека обладают первые четыре фактора; электромагнитный импульс вызывает повреждения электронных и электротехнических устройств. По продолжительности действия различают кратковременно действующие поражающие факторы ядерного взрыва (ударная волна, световое излучение и проникающая радиация) и длительно действующий фактор — РЗМ. По физической природе поражающие факторы ядерного взрыва могут быть радиационными либо нерадиационными.

Радиационные поражающие факторы ядерного взрыва Радиационными факторами ядерного взрыва являются проникающая радиация и радиоактивное заражение местности (РЗМ).

Проникающая радиация ядерного взрыва представляет собой поток -излучения и нейтронов, распространяющийся в воздухе во все стороны из центра взрыва на расстояние до 3 км. Источником проникающей радиации являются ядерные реакции деления и синтеза, протекающие в боеприпасах в момент взрыва, а также радиоактивный распад продуктов ядерного деления.

-Кванты могут быть мгновенными, испускаемыми в ходе протекания ядерных реакций взрыва при взаимодействии нейтронов с конструкционными материалами боеприпаса, осколочными, образуемыми при радиоактивном распаде осколков деления, или захватными, возникающими при ядерных перестройках, вызываемых нейтронами в атомах воздуха и грунта.

Нейтроны проникающей радиации могут быть мгновенными, испускаемыми в ходе протекания ядерных реакций взрыва, и запаздывающими, образующимися в процессе распада продуктов ядерного деления в первые 2—3 с после взрыва.

Время действия проникающей радиации при атомных и водородных взрывах не превышает нескольких секунд и определяется временем подъема облака взрыва на такую высоту, при которой -излучение практически полностью поглощается толщей воздуха.

Поражающее действие проникающей радиации на человека определяется дозой облучения, а также (в случае частичного экранирования) фактором неравномерности распределения этой дозы по телу.

Радиоактивное заражение местности возникает в результате выпадения радиоактивных веществ из облака ядерного взрыва. Его значение как поражающего фактора определяется тем, что высокие дозы облучения личного состава войск и населения могут наблюдаться не только в районе, прилегающем к месту взрыва, но и за сотни километров от него. Кроме того, радиационное воздействие, обусловленное РЗМ, более продолжительно, чем действие проникающей радиации.

Наиболее существенное РЗМ происходит при наземных ядерных взрывах, когда площади заражения с опасными значениями мощности дозы излучения многократно больше размеров зон поражения ударной волной, световым излучением и проникающей радиацией. Масштабы РЗМ зависят также от мощности ядерного взрыва и метеоусловий (скорости ветра в слое атмосферы, ограниченном высотой подъема облака» наличия осадков). При воздушных ядерных взрывах РЗМ незначительно и не вызывает санитарных потерь личного состава.

Лучевое поражение людей, находящихся на РЗМ, обусловлено (в порядке убывания значимости) равномерным внешним -облучением тела, внешним -облучением открытых участков кожи, конъюнктив и слизистых оболочек, а также излучениями радионуклидов, которые могут проникать в организм ингаляционным либо пероральным путем.

Последствия пребывания личного состава на РЗМ с достаточной точностью могут прогнозироваться по величине дозы внешнего -облучения тела. Такой расчет наиболее целесообразно производить заблаговременно, что позволяет избежать неоправданного переоблучения и минимизировать потери личного состава. Для удобства расчета доз облучения вся территория, подвергшаяся радиоактивному заражению, разделяется на участки, различающиеся величинами мощности дозы излучения на местности — зоны РЗМ. Воображаемые границы между ними представляют собой изолинии эллиптической формы, все точки каждой из которых характеризуются одинаковыми значениями мощности дозы. Характеристика зон РЗМ, данные для расчета их размеров, а также интенсивности радиационных воздействий на личный состав (дозы, мощности дозы излучения, плотности поверхностного радиоактивного заражения кожных покровов и обмундирования) содержатся в Справочнике по поражающему действию ядерного оружия. Эти данные необходимы для прогнозирования величины, структуры и динамики возникновения санитарных потерь среди личного состава, находившегося на РЗМ.

Нерадиационные поражающие факторы ядерного взрыва Ударная волна является основным поражающим фактором ядерных взрывов средней и большой мощности. Она представляет собой область резко сжатого воздуха, распространяющегося во все стороны от центра взрыва. Поражения людей ударной волной возникают в результате действия избыточного давления во фронте ударной волны, скоростного напора воздуха и действия вторичных ранящих снарядов (предметов, отброшенных скоростным напором воздуха).

В результате действия ударной волны у незащищенных людей могут возникать разнообразные травмы. В Хиросиме их получили 40% пораженных, ее воздействием было обусловлено 20% смертельных исходов. Показателем, позволяющим достаточно точно предсказать действие ударной волны на личный состав, сооружения и военную технику, является Величина избыточного давления во фронте ударной волны.

Световое излучение ядерного взрыва представляет собой поток видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучения, исходящий из светящейся области взрыва. Поражающее действие этого фактора обусловлено нагревом подлежащих поверхностей и вторичными ожогами от воспламенившегося обмундирования. При формировании зон обширных пожаров могут возникать «огненные бури», при которых возможны термические ожоги не только кожи, но и верхних дыхательных путей, а также массовые отравления оксидом углерода.

Радиус поражающего действия ударной волны, светового излучения и проникающей радиации представляет собой расстояние, на котором они могут выводить из строя открыто расположенный личный состав. Для проникающей радиации этот показатель возрастает с увеличением мощности ядерного боеприпаса медленнее, чем радиус поражающего действия ударной волны и светового излучения ядерного взрыва. При взрывах сверхмалой (до 1 кг) и малой (1—10 кг) мощности он больше у проникающей радиации, чем у других кратковременно действующих поражающих факторов ядерного взрыва. При взрывах средней (10—100 кт), большой (100—1000 кт) и особо большой (> Мт) мощности радиус поражающего действия ударной волны и светового излучения больше или равен таковому для проникающей радиации. У нейтронных боеприпасов, создающих повышенную интенсивность нейтронной компоненты проникающей радиации ядерного взрыва, радиус ее поражающего действия существенно превосходит таковые для ударной волны и светового излучения. Эти соотношения учитываются при прогнозировании структуры санитарных потерь от ядерного оружия. При взрывах малой и сверхмалой мощности (включая нейтронные) можно ожидать появления большого количества больных с изолированными лучевыми поражениями. Санитарные потери в зоне кратковременно действующих факторов более мощных ядерных взрывов будут характеризоваться преобладанием комбинированных радиационных поражений, при которых клиническая картина травм и ожогов будет отягощена облучением в различных дозах.

При авариях или разрушениях ядерных реакторов основным радиационным фактором, способным вызвать поражения личного состава войск и населения на прилегающих территориях, является РЗМ. Особенностями последнего являются более медленный, чем в случае ядерного взрыва, спад мощности дозы излучения на местности, более сложная конфигурация зараженных участков местности, а также более высокие адгезивность и контаминирующая способность выпадающих на местность радиоактивных веществ. Кроме того, внешнее - и -облучение в поражающих человека дозах может происходить в момент прохождения радиоактивного пароаэрозольного облака аварийного радиационного выброса. Масштаб РЗМ определяется типом аварийного ядерного реактора, степенью его разрушения и метеоусловиями (скорость ветра, устойчивость приземного слоя атмосферы, наличие осадков).

При радиационной аварии риск поступления радионуклидов в организм выше, чем при ядерном взрыве, что обусловлено пребыванием некоторой их части в газообразном состоянии и способностью преодолевать противогазы и респираторы. В ранние сроки (несколько суток) после начала аварии наибольшую опасность представляет инкорпорация смеси радиоактивных изотопов йода. В более поздние сроки (спустя годы после аварии) на первый план выходит внутреннее облучение организма за счет поступивших в него долгоживущих радионуклидов 137Сѕ и 90 ѕг.

Потери личного состава, обусловленные пребыванием в зоне следа облака аварийного радиационного выброса, так же как и на следе облака ядерного взрыва, определяются дозой внешнего -облучения. Для удобства ее расчета на местности, подвергшейся радиоактивному загрязнению, выделяют зоны РЗМ. Характеристика зон РЗМ, методика расчета их размеров и показателей уровня облучения находящегося в них личного состава (дозы, мощности дозы) содержатся в соответствующих справочниках.

Лучевые поражения личного состава как при применении ядерного оружия, так и вследствие техногенных аварий на радиационно-опасных объектах могут стать результатом внешнего облучения и проникновения радионуклидов во внутренние среды организма. При этом выделяют:

1. Лучевые поражения от внешнего облучения:

• поражения в результате общего (тотального) облучения;

• местные лучевые поражения от внешнего облучения.

2. Поражения от наружного заражения покровных тканей радионуклидами.

3. Поражения от внутреннего радиоактивного заражения.

Формирующаяся при этом патология характеризуется многообразием клинических форм, закономерностью развития, четкой зависимостью между величиной лучевого воздействия и тяжестью заболевания. Медицинская защита личного состава и лечение пораженных предполагают использование специальных медикаментозных средств. Их разработка, совершенствование и практическое применение основываются на понимании сущности лучевых поражений.

Литература:

1. С.А. Куценко. Военная токсикология, радиобиология и медицинская защита. С.

Петербург 2004 год.

2. Н.И. Каракчиев. Военная токсикология и защита от ядерного и химического оружия. Ташкент 1988 год.

Преподаватель кафедры мобилизационной подготовки «_»_2009 г.