Кравців Р.Й., Салата В.З., Семанюк В. І., Фреюк Д.В., Ярошович І. Г. Ветеринарна радіологія

Подождите немного. Документ загружается.

Ветеринарна радіологія

110

Таким чином, вже в найбільш ранній період спостережень

була встановлена найважливіша особливість іонізуючих випромі-

нювань, а саме - вибірковість у їх дії, що визначалась не стільки

характеристикою самих променів, скільки властивостями тих або

інших клітин, тобто їх чутливістю до радіації. Зав дяки цьому, не-

зважаючи на абсолютно однакові умови опромінення однієї й тієї

ж тканини чи органу, одні клітини сильно пошкоджуються та ги-

нуть, а інші залишаються неушкодженими. Різновидністю репро-

дуктивної загибелі нащадків опромінених клітин є утворення так

званих гігантських клітин, які виникають внаслідок злиття двох

сусідніх, частіше “сестринських” клітин, що здатні до 2-3 поділів,

після чого гинуть.

Яка головна причина репродуктивної загибелі клітин від радіації?

Головною причиною репродуктивної загибелі клітин є струк-

турне перетворен ня ДНК у вигляді так званих хромосомних пе-

ребудов чи аберацій хромосом. Інтерфазна загибель настає до

вступу клітин у мітоз. При дозі опромінен ня 10 Гр загибель може

наступити “під променем” або одразу після опро мінення. При дозі

опромінення до 10 Гр загибель настає у перші години після нього

і може бути зареєстрована у вигляді різних дегенеративних змін

клітини: частіше пікнозу чи фрагментації хроматину. Для більшо-

сті соматичних клітин дорослих тварин інтерфазна загибель ре-

єструється лише після опромінення дозами десятки і сотні грей.

При менших дозах спостерігається репродуктивна форма загибе-

лі, причиною якої є структурні хромосомні пошкодження.

Досить швидко, вже у 1903 році, була виявлена роль уражен-

ня ядра у клітинній радіочутливості. До такого висновку прий-

шов дослідник Д. Бун, спостерігаючи приблизно однаково вира-

жену згубну дію іонізуючої радіації на пуголовків, розвиток яких

проходив шляхом опромінення сперматозоїдів жаби або неза-

пліднених ікринок, що різко відрізняються між собою за кількі-

стю цитоплазми. На підставі експериментальних даних він прий-

шов до висновку, що опромінення останньої не відіграє особливої

ролі в розвитку зародка.

На сьогоднішній день відомо, що чутливість ядра клітини

111

приблизно на 6 порядків вища, ніж протоплазми. У всіх внутріш-

ньоядерних структурах відповідальною за життєдіяльність кліти-

ни є ДНК, яка бере участь у формуванні хромосом та перенесен-

ні генетичної інформації. Опромінення зумовлює перетворення

ДНК, утворення лужно-лабільних зв’яз ків, втрату основи та зміну

їх складу, зміни послідовності розташування нуклеотидів, зши-

вання ДНК-ДНК та ДНК-білок, порушення комплексів ДНК з ін-

шими молекулами.

Розрізняють поодинокі розриви, коли зв’язок між окреми-

ми атомними угрупуваннями порушується в одній з ниток дво-

нитчастої молекули ДНК та подвійні, коли розрив відбувається

відразу у близьких ділянках двох ланцюгів, що призводить до роз-

паду молекули. При будь-якому розриві порушується зчитуван-

ня інформації з молекули ДНК та просторова структура хрома-

тину. Поодинокі розриви призводять до поломок молекули ДНК,

оскільки розірвана нитка міцно утримується на місці водневими,

гідрофобними та іншими видами взаємодії і протилежною нит-

кою ДНК. Окрім того, структура досить добре відновлюється мо-

гутньою системою репарації.

Багато радіобіологів вважають, що поодинокі розриви самі

посо бі, якщо не переходять у подвійні, не є причиною загибелі клі-

тини. При дозах опромінювання до 20 Гр подвійні розриви є наслід-

ком одночасного пошкодження обох ниток ДНК. При збільшенні

дози випромінювання зростає ймовірність переходу поодиноких

розривів у подвійні. При дії рідкоіонізуючих випромінювань, таких

як гамма-випромінювання, рентгенівського, швидких електронів,

20-100 поодиноких розривів зумовлюють один подвійний. Щільно-

іонізуючі випромінювання спричиняють значно більше число под-

війних розривів безпосередньо після опромінення, а також аберації

хромосом. Крім утворення розривів, в опромінених ДНК порушу-

ється структура основ, передусім тиміну, внаслідок чого збільшу-

ється число генних мутацій. Спостерігається утворення зшивок

між ДНК та білками нуклеопротеїнового комплексу. Чутливий до

випромінювання ДНК-мембранний комплекс – складне структур-

не утворення в ділянці сполучення ниток ДНК з ядерною мембра-

ною. Розпад цього комплексу та деградацію ДНК можна виявити

після опромінення культури клітин у дозі 2 Гр.

Біологічна дія іонізуючих випромінювань

Ветеринарна радіологія

112

Важливим наслідком опромінення є зміна не пов’язаної з

ядерним матеріалом спадковості клітин, носієм якої є різноманіт-

ні цитоплазматичні органели. При цьому знижується функціо-

нальна активність нащадків опромінених клітин. Можливо, саме

це і є причиною віддалених наслідків опромінення. Проте голов-

ною причиною репродуктивної загибелі клітин при опроміненні є

пошкодження їх генетичного апарату.

Вже у першому десятилітті ХХ століття почалось вивчення дії

іонізу ючої радіації на ембріогенез, що дозволило виявити виник-

нення різних аномалій при опроміненні на певних стадіях розвит-

ку ембріона.

Хто вперше встановив факт дії іонізуючих випромінювань на генетичний

апарат клітини?

Одне із епохальних явищ радіобіології – встановлення фак-

ту дії іонізуючих випромінювань на генетичний апарат клітини,

що супроводжується спадковою передачею заново набутих ознак.

Вперше ці спостереження були проведені Г.А.Надсоном та Г.Ф.Фі-

ліповим у 1925 році в дослідах на дріжджах. Проте, на жаль, це ве-

лике відкриття не одержало тоді належної оцінки і лише після робіт

американського вченого Г.Мюллера, який встановив мутагенний

ефект іонізуючого випромінювання, радіаційно-генетичні дослід-

ження стали проводитись у цілому світі широким фронтом.

Ранні спостереження за дією іонізуючої радіації на біологічні

об’єкти хоча і мали фундаментальне значення, проте носили опи-

совий характер, оскільки не давали відповіді на основне питання

радіології: в чому полягає механізм дії іонізуючої радіації на біоло-

гічні об’єкти? Чим пояснити, що при опроміненні живого організ-

му дозою 0,013-0,026 Кл/кг (50-100 Р) окремі клітини, такі як лімфо-

цити, гинуть, а, з іншого боку, у водяній сорочці атомного реактора

виявлено бактерії microcoсcus radiodurens, які не лише живуть, але

й розмножуються, хоча потужність дози складає 7,17 Кл/кг×с або

один мільйон рентген за годину. Це перше протиріччя, виходячи з

правила Бергоньє та Трібондо, оскільки лімфоцити - це зрілі кліти-

ни, які не діляться, отже повинні бути радіостійкими, а бактерійні

клітини інтенсивно діляться, у тому повинні легко уражатись.

113

Саме тому, радіочутливість необхідно розглядати як синонім

радіоураженості, альтернативу радіостійкості. Іншими словами,

чим чутливіший об’єкт до іонізуючого випромінювання, тим мен-

ша доза необхідна для його ураження.

Що представляє собою доза за сумарною енергією, що поглинається

організмом при опроміненні? Багато це, чи мало?

Смертельною дозою для більшості ссавців будь-якого виду є

1000 рентген, або 10 Грей. Якщо умовно перевести цю енергію без

втрат у теплову енергію, то виявля ється, що організм людини на-

гріється лише на 0,001°С, тобто менше, ніж від склянки випито-

го гарячого чаю, і це складає 50 малих калорій тепла. А скільки ж

атомів піддається іонізації при опроміненні смертельною дозою

10 Гр? В одному кубічному мікроні тканини доза 10 Гр створює бі-

ля 200 іонізацій, тобто приблизно таку кількість, що й число реа-

гуючих молекул, а оскільки в одному кубічному мікроні тканини

знаходиться 10

атомів, то звідси зрозуміло, що смертельна доза

10 Гр приведе до зміни надзвичайно малої частки молекул у дано-

му об’ємі. Більше того, якщо безперервно опромінювати речови-

ну, яка за щільністю відповідає живій тканині, то половина її ато-

мів перетвориться в іони приблизно через 1000 років. Проте ця

надзвичайно мінімальна кількість сумарної енергії, що поглина-

ється організмом, а тим більше клітиною при опроміненні, при-

водить до незворотної катастрофи, яка закінчується смертю.

Причини цього явища все ще не вивчені і на сьогоднішній день

залишаються предметом фундаментальних радіобіологічних до-

сліджень. Проте зараз уже встановлено, що більшість радіаційних

уражень відновлюються.

Чим зумовлений феномен пострадіаційної репарації?

Феномен пострадіаційної репарації зумовлений тим, що при

опроміненні у клітинах виникають і такі ураження, які звичай-

но зумовлюють її загибель, але за певних умов можуть бути усу-

нуті системами ферментативної репарації. Оскільки пострадіа-

ційна репарація - це процес ферментативний, її інтенсивність, а,

отже, і доля опроміненої клітини залежить від загального рівня

Біологічна дія іонізуючих випромінювань

Ветеринарна радіологія

114

клітинного метаболізму. Клітини, які вижили після одноразового

опромінення за рахунок репарації від потенційно летальних по-

шкоджень, набувають тієї ж радіочутливості, що й неопроміне-

ні клітини.

Які основні положення радіобіологічного ефекту?

Одержані в результаті гігантської праці теоретиків та експе-

риментаторів відомості дозволили сформулювати основні поло-

ження радіобіологічного ефекту. Особливостями дії іонізуючої

радіації на біологічні об’єкти є те, що: а) у тварин відсутні спеці-

альні аналізатори (рецептори) для сприйняття випромінювання;

б) дія іонізуючої радіації, в основному, пов’язана з формою пере-

дачі енергії клітинам і менше залежить від її кількості.

Які механізми дії іонізуючої радіації?

В механізмі дії іонізуючих випромінювань на живі організми

умовно можна виділити два основні етапи:

- перший етап визначається як первинна безпосередня, пря-

ма дія випромінювання на біохімічні процеси, функції та

структури органів і тканин;

- другий етап - це опосередкована, або непряма, дія, яка обу-

мовлюється нейрогенними зсувами, що виникають в орга-

нізмі під впливом радіації.

Внаслідок дії іонізуючих випромінювань на біологічні тка-

нини, в них відбуваються фізичні, фізико-хімічні, біологічні та

морфологічні процеси. Фізичні процеси пов’язані з поглинанням

енергії, збудженням атомів та іонізацією. Фізична взаємодія, по-

глинання енергії здійснюється протягом 10

-12

с. Первинні радіохі-

мічні реакції, утворення вільних радикалів та зміна молекул і по-

рушення біохімії клітини – протягом 10

-9

с.

Механізм передачі енергії електромагнітного випромінюван-

ня полягає у фотоефекті, ефекті Комптона та утворенні пар, а кор-

пускулярного – тотожний і полягає в тому, що при проходжен-

ні через середовище (тканину) заряджена частинка втрачає свою

енергію на іонізацію та збудження атомів навколишнього середо-

вища до тих пір, поки загальний запас зменшиться до такого ста-

115

ну чи рівня, що частинка втрачає свою іонізаційну здатність і за

звичайно захоплюється атомом середовища з утворенням іона.

У чому полягає сутність фотоелектричного ефекту іонізуючої радіації?

Суть фотоелектричного ефекту полягає в тому, що енергія

падаючого кванта повністю поглинається атомом речовини, з якої

вибивається електрон, внаслідок чого утворюються два іони. Фо-

тоефект характерний лише для м’якого рентгенівського випромі-

нювання з енергією менше одного мільйона електронвольт (МеВ).

З підвищенням енергії випромінювання ефективність цього про-

цесу досить швидко зменшується, а тому у процесі поглинання

енергії набуває значення інший процес передачі енергії, а саме -

ефект Комптона. При цьому відбувається пружне зіткнення між

падаючим фотоном чи квантом випромінювання та електроном

атома, що вибивається, якому переда ється лише частина енер-

гії фотона чи кванта, а залишену частину енергії виносить інший

фотон, що утворюється в результаті цієї взаємодії. Вибитий елек-

трон здатний викликати іонізацію атомів та молекул середовища.

Третій вид взаємодії з речовиною полягає у тому, що гамма-квант

чи фотон у полі атомного ядра перетворюється на пару елемен-

тарних частинок – електрон (е

) та позитрон (е

Енергія, яку втрачає заряджена частинка на одиницю шля-

ху її пробігу, називається лінійною втратою енергії, вона, перш за

все, залежить від енергії та заряду частинки, причому ця залеж-

ність різко посилюється із зниженням швидкості частинки. Ось

чому в кінці пробігу віддача енергії зарядженою частинкою є мак-

симальною. Ця особ ливість використовується при радіотерапії

злоякісних пухлин, оскільки дозволяє сконцентрувати значну ча-

стину енергії на глибині при мінімальному її розсіюванні у здоро-

вих тканинах за ходом пучка.

На відміну від заряджених частинок, кванти електромагніт-

ного гамма- чи рентгенівського випромінювання, випадково зіт-

кнувшись з атомами середовища, вибивають орбітальний елек-

трон. Ось чому іони на шляху руху кванта появляються досить

рідко, а проникаюча здатність, тобто довжина пробігу електро-

магнітних випромінювань – максимальна.

Біологічна дія іонізуючих випромінювань

Ветеринарна радіологія

116

Таким чином, всі види іонізуючого випромінювання безпо-

середньо чи опосередковано викликають збудження та іонізацію

атомів середовища, а тому якісна сторона їх радіобіологічного

ефекту не залежить від джерела випромінювання.

Проте, при опроміненні у рівних дозах, але різними видами

іонізуючої радіації, виникають кількісно різні біологічні ефекти,

що пов’язано з просторовим мікророзподілом енергії (актів іоні-

зації) в опроміненому організмі, тобто з лінійною втратою енергії.

І залежно від цієї величини всі джерела іонізуючої радіації поділя-

ються на щільно- та рідкоіонізуючі. Так, наприклад, альфа-частин-

ки дають сконцентроване накопичення іонів, тобто в них значна

лінійна втрата енергії. Електрони утворюють на шляху пробігу

порівняно розсіяні пари іонів. Фотони чи кванти створюють ще

меншу густину іонізації. Акти іонізації визначають момент та міс-

це передачі енергії випромінювання біологічного субстрату. Про-

те, досить важливо знати, в якій частині об’єкта відбувається цей

акт іонізації. Так, фотони з енергією до одного МеВ максимально

поглинаються на поверхні до 0,5 см живого об’єкту, оскільки са-

ме у цьому шарі утворюється найбільше вторинних електронів. У

міру просування у глибину, потік фотонів цієї енергії слабшає, у

зв’язку з чим зменшується й кількість утворених пар іонів. Фото-

ни з енергією понад 1 МеВ створюють максимум актів іонізації у

глибині тканини, причому тим глибше, чим більша їх енергія.

Таким чином, при взаємодії з біологічним субстратом кожний

вид випромінювання тратить свою енергію на іонізацію та збуджен-

ня атомів середовища, що обумовлює характерну картину мікророз-

поділу енергії залежно від типу частинок чи фотонів та їх енергії.

Чи можна після опромінення вплинути на фізичний процес передачі

енергії?

Сучасна наука не знає таких способів, оскільки процес погли-

нання енергії відбувається практично миттєво, протягом 10

-12

с.

Ураження клітин, тобто: порушення структур, які забезпечують

функцію та спадковість клітин у часі здійснюється протягом кіль-

кох хвилин. А вже порушення морфології клітин та їх загибель у

часі триває годину.

117

Яка роль іонізації та збудження атомів і молекул в механізмі дії

іонізуючої радіації на біологічні об’єкти?

Іонізація та збудження атомів і молекул опроміненої тка-

нини є первинними фізичними процесами, що обумовлюють пу-

сковий механізм біологічної дії іонізуючого випромінювання, і

називаються прямою дією радіації. При цьому відбувається роз-

ривання молекулярних зв’язків з утворенням вільних радикалів.

Вони утворюються також внаслідок радіолізу води під впливом

іонізуючого випромінювання, зокрема такі, як:

, ОН

і перекису

водню

. Вільні радикали, у свою чергу, окиснюють та віднов-

люють молекули органічних речовин, які розчинені у воді: білків,

нуклеопротеїдів, ліпідів, ферментів тощо. Паралельно із водними

радикалами в опроміненому організмі активно діють органічні

радикали. Час існування іонізованої молекули незначний і триває

лише 10

-11

с, проте він достатній, щоб відбувалась дисоціація мо-

лекули на іон та вільний радикал. Останній і бере учас ть в опосе-

редкованій дії радіації на організм. Вільні радикали утворюють-

ся не лише у рідких середовищах, але й у будь-яких біологічних

системах та хімічних сполуках. В присутності кисню вони пере-

творюються у перекисні та інші токсичні сполуки, внаслідок чого

відбуваються зміни у біохімічних процесах живих структур, по-

рушення діяльності ферментів, руйнування та загибель клітин.

Проте через іонізацію здійснюється перетворення енергії

випромінювання у хімічну із запуском та наступним розвитком

первинних радіаційно-хімічних реакцій, тим самим здійснюється

перехід у другий етап механізму біологічної дії – етап опосередко-

ваної, непрямої дії.

Який механізм непрямої чи опосередкованої дії

іонізуючого випромінювання?

Зміна молекули, яка безпосередньо не поглинає енергію іо-

нізуючого випромінювання, а одержує її від інших змінених мо-

лекул, являє собою механізм непрямої чи опосередкованої дії.

Основним субстратом первинних окисних реакцій є біоліпіди

та нуклеопротеїди. Внаслідок радіаційного впливу порушується

структура тканин і клітин.

Біологічна дія іонізуючих випромінювань

Ветеринарна радіологія

118

Схематично другий етап механізму дії іонізуючої радіації на

біологічні об’єкти – радіаційно-хімічний процес - можна предста-

вити таким чином:

поглинута енергія

ΡΗ ΡΗ

•

+ Η

•

молекула вихідної іонізована активний

хімічної сполуки молекула радикал

Однак випромінювання спричиняє іонізацію та збудження не

лише в ряді складних неорганічних речовин, що входять до складу

органів і тканин, але й розчинників, зокрема атомів та молекул во-

ди. А це, у свою чергу, має важливе значення, оскільки всі життєві

процеси здійснюються у водному середовищі, бо вміст води в орга-

нах і тканинах складає 60% від їхньої маси (див. схему радіолізу во-

ди). Під впливом радіації відбувається радіоліз води, молекули якої

розщеплюються на пару іонів:

≈ → Н

О → Н

+ е

. Вибитий елек-

трон (е

) має достатній запас енергії і, в свою чергу, при проходженні

через середовище викликає вторинну іонізацію води, внаслідок чо-

го утворюється негативно заряджений іон:

+ е

→ Н

. Таким

чином утворюється значна кількість позитивно і негативно заряд-

жених пар іонів:

та Н

, які надзвичайно нестійкі і розпа-

даються з утворенням водневих та гідроксильних іонів, вільних

радикалів:

→ Н

+ ОН

•

; Н

→ Н

•

+ ОН

Гідроксильний радикал ОН

•

є сильним окиснювачем, іон вод-

ню

•

- відновником. В результаті взаємодії між собою, а також

між радикалами та вільним киснем біологічних тканин утворю-

ються вторинні активні продукти:

•

+ Н

•

→ Н

; ОН

•

+ ОН

•

→ Н

а також сильні окиснювачі:

•

+ О

→ НО

– гідропероксид;

НО

+ НО

→ О

+ Н

– перекис водню;

+ О

→ Н

– вища перекис водню.

Поряд з іонізацією може наступати і збудження атомів, що

також може привести до утворення вільних радикалів, як іоніза-

119

ція. Проте збуджені атоми та молекули менш стійкі, ніж вільні ра-

дикали. Надлишок енергії вони передають сусіднім атомам та мо-

лекулам або дисоціюють з виділенням її надлишку у вигляді світла

– флуоресценції.

Утворені вільні радикали та перекисні сполуки вступають в

реакцію з різними молекулами субстрату, в першу чергу з білка-

ми, окиснюючи їх, в основному, радикалом ОН. При цьому вини-

кає так звана непряма, або опосередкована, дія радіації на молеку-

ли біологічного субстрату, тобто молекули, які одержали енергію

випромінювання змінюються не безпосередньо, а шляхом переда-

чі від інших молекул. В даному випадку – від молекули води.

Які процеси відбуваються на молекулярному рівні внаслідок дії

іонізуючого випромінювання?

Первинні реакції, які виникають під впливом іонізації ато-

мів та молекул, змінюють структуру молекул, що, в свою чергу,

призводить до пору шення біохімічних процесів в органах і тка-

нинах, а саме: розладу тканинного дихання, зміни дії ферментних

систем, порушення синтезу білків, тобто основних життєво важ-

ливих процесів. Реакції організму на опромінення різноманітні і

визначаються як діючим фактором – випромінюванням, так і вла-

стивостями самого організму.

Які зміни відбуваються в організмі на клітинному рівні внаслідок дії

іонізуючого випромінювання?

У клітині організму ситуація перебігу радіаційно-хімічного

етапу більш складна, ніж при опроміненні води, особливо коли

поглинаючою речовиною є багатокомпонентні біологічні молеку-

ли. Схематично це можна представити, якщо комплексну біоло-

гічну молекулу умовно позначити БМ і нехай вона іонізується за-

рядженою частинкою:

≈ → БМ → БМ

+ е

Позитивний іон БМ+ розпадається з утворенням вільного

радикалу

•

. БМ

→ Б

+ М

•

Як і водні радикали, органічний радикал М

•

також має не-

спарений електрон, який надзвичайно здатний радіаційно. Маю-

чи велику кількість енергії, він легко може привести до розриву

Біологічна дія іонізуючих випромінювань