Тіманюк В.О., Животова О.М. Біофізика

Подождите немного. Документ загружается.

171

Величину σ можна визначити як тангенс кута нахилу прямої ln(n

/n) = f (D)

(рис. 9.7).

У реальних біологічних системах не завжди фотозміни молекул можна

розглядати по одноударному механізму, крім того багато ушкоджень від-

новлюються за допомогою репараційних систем клітини.

§ 46. Оптичне випромінювання в медицині

Оптичне випромінювання широко використовується при лікуванні і

діагностиці ряду захворювань. Наприклад, тепловий ефект інфрачервоного

випромінювання ближньої області (λ = 0,76 – 2,5 мкм) використовують

для прогрівання поверхневих шарів тіла (на глибині біля 2 см). За джере-

ло випромінювання використовують спеціальні лампи. Теплорегулююча

система організму, намагаючись остудити нагріту ділянку, підсилює

кровообіг у ньому, що і викликає терапевтичний ефект.

Невеликі дози ультрафіолетового опромінення роблять сприятливу

дію на серцевоFсудинну, ендокринну, нейрогуморальну, дихальну сис-

теми. На жаль, молекулярний механізм такого впливу ультрафіолету в

більшості випадків точно невідомий.

Комбінована дія фотосенсибілізаторів псораленів і ультрафіолетово-

го опромінення АFзони (так звана ПУФАFтерапія) широко використо-

вується, іноді як єдиний ефективний метод, при лікуванні ряду шкірних

захворювань, наприклад, псоріазу, вітіліго, деяких форм облисіння

(гніздна плішивість). Однак ПУФАFтерапія має ряд побічних ефектів,

наприклад, приводить до утворення еритеми, едеми.

Випромінювання гелійFнеонового лазера

(λ = 632 нм) застосовується для прискорення

загоєння ран. У хірургії використовуються

лазерні скальпелі, здатні викликати високо-

температурну руйнацію тканини з одночас-

ною коагуляцією білка. Такі операції протіка-

ють безкровно і широко практикуються при

лікуванні відшарування сітківки, глаукоми

(лазером проколюються мікроскопічні отво-

ри діаметром 50–100 мкм, що викликає відтік

внутрішньоочної рідини і, отже, зниження

внутрішньоочного тиску).

Фотосенсибілізатор гематопорфірин і його похідні використовують

при лікуванні злоякісних пухлин, тому що виявлено, що ці сполуки

Рис. 9.7. Залежність логарифма

відношення вихідної кількості

молекул до кількості непошкод-

жених після опромінення дозою

D від цієї дози.

Залежність поперечного перетину інактивації молекули від довжини хвилі також як і

залежність квантового виходу від довжини хвилі, називають спектром дії.

172

накопичуються винятково в пухлинних клітинах і відсутні в здорових.

Сенсибілізатори підвищують чутливість пухлини до дії видимого світла,

опромінення яким приводить до її загибелі. Даний метод фотохіміоте-

рапії використовують при лікуванні пухлин як шкіри, так і внутрішніх

органів. У останньому випадку опромінення здійснюється за допо-

могою спеціальних світловодів. Виборче накопичування в пухлинах

гематопорфіринів використовують також при діагностиці онкологічних

захворювань, тому що люмінесценція цих молекул дозволяє визначити

розміри пухлини.

Ультрафіолетове випромінювання великої потужності чинить бак-

терицидний ефект, що використовується при стерилізації медичних

інструментів і помешкань. За джерело випромінювання застосовують

спеціальні бактерицидні лампи.

Деякі речовини, наприклад, лікарські препарати промазин, суль-

фаніламіди, прометазин та інші в сполученні з ультрафіолетовим

випромінюванням викликають фотоалергічні реакції. Поглинаючи

ультрафіолет АFзони, вони зв’язуються з білками, створюючи антиген

(рис. 9.8). При першому утворенні такого комплексу речовина – білок

у результаті імунної відповіді організму утворюються сенсибілізовані

лімфоцити, а при повторному — спостерігаються алергічні реакції і

навіть анафілактичний шок.

§ 47. Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною

Іонізуюче випромінювання (далека область ультрафіолетового вип-

ромінювання, рентгенівське і γFвипромінювання) має достатню енергію

для того, щоб викликати іонізацію молекул, і як наслідок цього здатне

привести до найбільш небезпечних для біологічних структур наслідків:

поразці та інактивації окремих структур і загибелі організму.

Природний радіоактивний фон створюється космічним випроміню-

ванням і випромінюванням радіоактивних ізотопів земної кори. Остан-

нім часом з’явилися штучні джерела випромінювання, використовувані

в енергетиці, військовоFпромисловому комплексі, а також у медицині

(рентгенівські та γFустановки).

Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні при-

скорених електронів у речовині, γFвипромінювання — при переході

атомних ядер зі збудженого стану в основний або при анігіляції

електронноFпозитронної пари (див. далі), а також під час розпаду де-

яких частинок. При взаємодії цих видів випромінювання з речовиною

можливі наступні ефекти: фотоефект, ефект Комптона та ефект утво-

рення пари.

Фотоефект — явище, при якому квант рентгенівського або γFви-

промінювання вибиває електрон з електронної оболонки атома (рис.

173

9.9). Для того, щоб це сталося, енергія падаючого кванту hν повинна

перевищувати енергію зв’язку електрона в атомі W. Квант цілком передає

енергію атому, витрачаючи її на розрив зв’язку електрона і повідомлення

йому деякої кінетичної енергії Е

кін

= hν – W.

Імовірність фотоефекту збільшується зі зростом заряду ядра і набли-

женням енергії кванта світла до енергії зв’язку електрона в атомі.

У випадку ефекту Комптона (рис. 9.10) квант, зіштовхуючись з

атомом, витрачає частину своєї енергії на вибивання електрона і

продовжує свій рух, але вже в іншому напрямку і володіючи меншою

кількістю енергії. Такий фотон називається розсіяним, а вибитий елек-

трон — комптонівським електроном або електроном віддачі. Розсіяний

фотон здатний взаємодіяти з іншими атомами і викликати нові ефекти

Комптона або фотоефект.

Чим менша довжина хвилі падаючого фотона, тобто, чим більша його

енергія, тим більша імовірність ефекту Комптона і менша імовірність

фотоефекта. У результаті кількох послідовних ефектів Комптона енергія

розсіяних фотонів поступово зменшується в порівнянні з первинним

фотоном і зростає імовірність фотоефекту.

Якщо енергія фотона перевищує 1,022 МеВ, то взаємодія па-

даючого кванта з полем ядра може привести до перетворення

кванта в дві частинки: електрон і позитрон (ефект утворення пар)

(рис. 9.11):

hν → e

–

+ e

Енергія, рівна 1,022 МеВ, витрачається на перетворення в масу

спокою електрона і позитрона, а інша частина енергії кванта — на пові-

домлення кінетичної енергії частинкам, що утворюються:

МеВ,

де — кінетична енергія електрона; — кінетична енергія

позитрона.

Можливий і зворотний ефект, коли електрон і позитрон анігілюють,

в результаті чого з’являються два γFкванти:

–

+ e

→ 2γ.

Рис. 9.8. Фотоалергічна реакція організму.

174

Енергія кожного з квантів, що

утворюються, складає не менше

0,511 МеВ.

Імовірність ефекту утворення

пар залежить не тільки від енер-

гії кванта, але і від заряду ядра z.

Чим вища величина z, тим більша

імовірність утворення пари. До

складу біологічних систем в ос-

новному входять легкі ядра, тому

ефект утворення пар відбуваєть-

ся рідко в порівнянні з іншими

ефектами (фотоефектом і ефектом

Комптона).

У процесі фотоF,

КомптонFефектів і утворення

пари відбувається первинна іоні-

зація атомів. Вибиті електрони

в процесі свого руху можуть

віддавати свою енергію атомам і

тим самим приводити до їхнього

збудження й іонізації, в резуль-

таті чого породжуються вторинні

електрони. Багаторазово взає-

модіючи з атомами, електрон

поступово втрачає свою енергію

доти, поки вона не знизиться на-

стільки, що електрон захопиться

якимFнебудь нейтральним ато-

мом і утворить із ним негативний

іон.

Крім рентгенівських і γFпроменів до іонізуючого випромінювання

відносять також потоки αFчастинок (ядер атомів гелію), βFчастинок

(електронів і позитронів), протонів, нейтронів і ін. Заряджені частинки,

які взаємодіють з електричними полями електронів, здатні перевести

атоми в збуджений стан або іонізувати їх. Нейтрони, так як вони не

мають заряду, можуть викликати іонізацію атомів лише непрямим

шляхом. Наприклад, поглинання нейтрона ядром атома (частіше усього

водню, іноді азоту, вуглецю, кисню) приводить до збільшення кінетичної

енергії останнього. Так зване ядро віддачі, що при цьому утворюється,

взаємодіючи з іншими атомами може викликати їхню іонізацію. Іноді

тільки частина енергії нейтрона йде на повідомлення ядру кінетичної

Рис. 9.11. Ефект утворення

електронно[позитронних пар.

Рис. 9.10. Ефект Комптона.

175

енергії, а інша частина — на збудження ядра. Перехід ядра зі збудже-

ного стану в основний супроводжується випромінюванням γFквантів.

При низьких швидкостях нейтронів їхня взаємодія з речовиною може

привести до ядерних реакцій, в результаті яких утворюються γFкванти

і заряджені частинки:

У процесі свого руху іонізуюче випромінювання втрачає свою енергію

і передає її речовині. Середня енергія, передана речовині на одиницю

довжини пробігу, називається лінійною передачею енергії. Відстань, яку

випромінювання проходить у речовині, збе рігаючи здатність до іонізації

(середній лінійний пробіг), характеризує проникаючу спроможність

випромінювання. Відношення кількості пар іонів N, утворених випро-

мінюванням на довжині пробігу l — лінійна щільністю іонізації i

характеризує іонізуючу спроможність випромінювання. Чим більше

заряд і маса частинки, тим вища її іонізуюча і менша проникаюча

спроможність. Ці величини також залежать від густини речовини, що

опромінюється, і різні для αF, βF, γFвипромінювання.

§ 48. Дози іонізуючих випромінювань

При вивченні ступеня ураження тих або інших біологічних об’єктів

важливо мати кількісне уявлення про фізичні характеристики випро-

мінювання, особливо його енергії.

Іонізуюче випромінювання, насамперед, характеризується своєю

здатністю іонізувати речовину. Кількісно цю характеристику відбиває

експозиційна доза D

екс

. При експозиційній дозі, рівній 1 Кл/кг у 1 кг

сухого повітря утворюється 1 Кл зарядів кожного знака. Найчастіше

експозиційна доза вимірюється в позасистемних одиницях — рентгенах

(1 Р = 2,58·10

–4

Кл/кг). Потужність експозиційної дози дорівнює:

і вимірюється в Кл/кг·с або Р/с.

Випромінювання може впливати на речовину тільки в тому

випадку, якщо відбудеться поглинання цього випромінювання ре-

човиною. Тому важливо знати не експозиційну, а поглинену дозу,

яка визначає енергію, передану одиниці маси речовини. Одиницею

виміру поглиненої дози є Грей (1 Гр = 1 Дж/кг) або рад

(1 рад =

176

= 10

–2

Дж/кг). Потужність поглиненої дози дорівнює:

і вимірюється в Гр/с або рад/с.

Експериментальному виміру піддається експозиційна, але не пог-

линена доза, однак між ними існує залежність

погл

= kD

екс

де k — деякий коефіцієнт, що залежить як від самого випромінювання,

так і від речовини, що опромінюється.

Дія іонізуючого випромінювання однакової енергії, але різного виду

(наприклад, αF, βF і γFвипромінювання) чинить різний біоло гічний

ефект, так як ці випромінювання розрізняються своєю іонізуючою і

проникаючою спроможністю. У радіобіології існують поняття еквіва-

лентних доз опромінення. Доза випромінювання, що чинить такий же

біологічний ефект, як і доза в 1 Р рентгенівського або γFвипромінювання,

складає 1 бер (біологічний еквівалент рент гена), а доза, еквівалентна 1

Гр, складає 1 зіверт (Зв).

Поглинена доза D

погл

і еквівалентна доза Н зв’язані між собою спів-

відношенням

H = KD

погл

де К — коефіцієнт якості випромінювання (відносна біологічна

ефективність), яка показує, у скільки разів ефективність біологічної

дії даного виду випромінювання більша, ніж рентгенівського або

γFвипромінювання, при однаковій дозі. К експериментально ви значений

для кожного виду випромінювання (табл. 9.2).

Іноді опромінення біологічного об’єкта робиться джерелом, розташо-

ваним не зовні, а всередині його, наприклад, при введенні в пухлинну

тканину радіонуклідних голок (цей метод використовується в радіоте-

рапії), включенні в організм радіоактивних ізотопів. У цьому випадку

дози опромінення розраховуються по відомих значеннях активності

ізотопів і коефіцієнтів поглинання даної тканини.

§ 49. Вплив іонізуючого випромінювання на організм

Іонізація і збудження молекул, викликані дією іонізуючої радіації,

приводять до хімічних змін у них, тобто до радіаційних ушкоджень.

Якщо радіаційне ураження молекули обумовлене безпосереднім

влученням у неї кванта, то говорять про пряму дію випро мінювання,

якщо взаємодією з радіаційними продуктами, то — про непряму дію

випромінювання.

Абревіатура від англ. Radiation Absorbed Dose.

177

Ураження клітин викликаються в основному ушкодженнями молекул

білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, що знаходяться у водяній фазі. Так

як кількість молекул води набагато перевищує кількість розчинених у

ній молекул, то радіаційні ушкодження біологічних молекул частіше

усього викликаються їхньою взаємодією з продуктами радіолізу води, у

ході якого утворюються сольватовані електрони і вільні радикали:

О → Н

+ е

–

;

О + е

–

→ Н

–

;

–

→ ОН

–

+ Н·;

ОН

–

→ ОН· + е

–

У нуклеїнових кислотах під дією іонізуючого випромінювання від-

буваються зміни як в окремих нуклеотидах (наприклад, розмикання пі-

римідинового або імідазольного кілець, дезамінірування аденіну, гуаніну

і цитозину, окислювання спиртових груп і розриви вуглецьFвуглецевих

зв’язків у дезоксирибозі), так і в спіральній структурі (одноF і дволан-

цюжкові розриви, зшивки між нуклеотидами одного або різних лан-

цюгів, зшивки ДНК–білок). Викликані зміни в молекулах нуклеїнових

кислот приводять до виникнення генних (зміни нуклеотидного складу

окремого гена) і хромосомних (зміни структури хромосом) мутацій.

Дія іонізуючого випромінювання на білки викликає ушкодження

амінокислот, розриви водневих, дисульфідних, поліпептидних зв’язків

і, як наслідок, утрату їхніх біологічних функцій. Ці порушення можуть

бути викликані як безпосереднім улученням кванта випромінювання,

так і взаємодією білка з вільними радикалами або іншими продуктами

радіолізу сусідніх молекул.

Ушкодження ліпідів в основному викликані перекисним окислю-

ванням ненасичених жирних кислот. Ініціаторами даної реакції є вільні

Вид випромінювання Коефіцієнт якості

Рентгенівське, γF і βFвипромінювання 1

Нейтрони (~0,01 еВ) 3

Нейтрони (5 еВ) 7

Нейтрони (0,5 МеВ), протони 10

αFвипромінювання 20

Табл. 9.2

Коефіцієнти якості різних видів випромінювання

178

радикали води або самих ліпідів. Внаслідок ланцюгового характеру

даної реакції уражається значна кількість ліпідних молекул у результаті

влучення усього лише одного кванта. Радіаційні ушкодження ліпідних

молекул приводять до утворення альдегідів, кетонів, спиртів, а також

зшивок між молекулами.

У клітині існують спеціальні репараційні системи, що відновлюють

ушкоджені молекули. Ці системи здатні репарувати молекули від уш-

коджень, викликаних різними чинниками як фізичної (ультрафіолетове,

γFопромінення), так і хімічної (хімічні агенти) природи, тому що часто

ушкодження, що ініціюються ними, подібні.

В даний час відомі репараційні системи для відновлення ДНК і

мембран. Найбільш добре вивченими є системи, що репарують одноF і

дволанцюжкові розриви ДНК. Ушкодження мембран усуваються шля-

хом заміни ушкоджених компонентів (ліпідів і білків). Відновлення

компонентів мембрани відбуваються й у процесі нормального функ-

ціонування клітини, але при опроміненні цей процес прискорюється.

Репарація інших біологічних сполук, у тому числі і білків, не так важлива,

тому що такі молекули, якщо вони ушкоджені, можуть витіснятися з

метаболізму і замінятися іншими.

Репарація ушкоджень пояснює так званий ефект фракціонування,

що полягає в наступному. Допустимо, що однократне опромінення

клітин певною дозою викликає їхню 50%Fну загибель (доза D

). У той

же час, якщо опромінення цією ж дозою розділити на дві напівдози з

проміжком часу між ними ∆t, то загибель клітин вже буде складати мен-

ше 50%, причому виживаність буде тим вища, чим більший проміжок

∆t. Справа в тому, що під час одноразового опромінення відбувається

підсумовування і посилення радіопошкоджень, а при фракційному оп-

роміненні — після першої дози деякі з виниклих ушкоджень встигають

відновитися. Тому сумарні ушкодження при однократному опроміненні

вищі, ніж при фракційному.

Репараційні системи не здатні усунути всі порушення. З іншого боку,

іноді відбувається помилкова репарація молекул, що приводить до ще

більших їхніх ушкоджень.

Дослідження процесів пошкоджень багатоклітинного організму

найбільш важке, тому що клітини різних тканин мають різну радіочут-

ливість. Відповідно до правила Бергон’є і Трибондо, радіочутливість

клітин у тканині тим вища, чим більша їхня проліферативна

активність

і менша ступінь диференціації. Тому в організмі людини в першу чергу

пошкоджуються стовбурні клітини червоного кісткового мозку й епі-

телію кишечника.

Ушкодження клітини неоднакові в різні фази її клітинного циклу.

Радіочутливість клітин максимальна наприкінці G

Fфази (пресинтетич-

ної) і початку SFфази (синтетичної або реплікативної), тому що виниклі

179

в цей час ушкодження не встигають репаруватися.

Радіобіологічні ефекти можуть виявлятися як безпосередньо після

опромінення, так і через деякий проміжок часу: місяці, роки і навіть

покоління. Наприклад, у людини віддаленими наслідками опромінення

можуть виступати процеси утворення злоякісних пухлин, ослаблення

імунітету, скорочення тривалості життя, народження дітей із патоло-

гіями.

§ 50. Кількісна оцінка радіопошкоджень

Кількісно ступінь пошкоджень від радіаційного опромінення оцінюють

за допомогою дозових кривих — залежностей ефекту опромінення від

дози випромінювання. Ефект опромінення визначається за деякою реак-

цією об’єкта, що опромінюється, яка називається тестFреакцією. Нею може

бути, наприклад, виживаність клітин, радіостійкість молекул і т.д. Криві доза

— ефект частіше усього мають експоненціальну форму, що вказує на те,

що навіть при дуже великих дозах зберігаються клітини, що вижили, або

непошкоджені молекули. Криві зручно представляти в напівлогариф-

мічній системі координат, тому що в цьому випадку залежність ефекту

від дози являє собою пряму.

Допустимо, що як тестFреакції виступає відношення кількості не-

пошкоджених молекул (клітин) N до їхньої загальної кількості N

. Тоді

рівняння залежності доза — ефект має вигляд

де k — коефіцієнт радіочутливості молекул (клітин); D — доза опро-

мінення.

Для характеристики радіочутливості молекул або клітин уводять

значення дози, при якій кількість непошкоджених об’єктів зменшується

в е раз у порівнянні з вихідним, тобто зберігається 37% матеріалу (D

або дози, при якій зберігається 50 % матеріалу (D

або напівлетальна

доза).

Влучення кванта випромінювання на даний об’єкт є дискретним

і статистичним процесом (принцип улучення), ушкодження об’єкта

викликається влученням кванта лише у певну його ділянку (принцип

мішені), уражений об’єкт є причиною ушкодження інших (принцип

підсилювача). Поясненням останнього принципу є, наприклад, випадки

поразки ДНК, що приводять до синтезу інших молекул ДНК, які міс-

тять цю ж помилку, і білкових молекул, нездатних виконувати потрібну

Проліферація (від лат. proles – нащадок і fero – несу) – збільшення кількості клітин шляхом

мітозу.

180

біологічну функцію.

Відповідно до принципу мішені, відношення кількості непошкод-

жених клітин N до їхньої загальної кількості N

, якщо пошкодження

відбувається за одноударним механізмом, визначається рівнянням

де ν — об’єм мішені; D – доза опромінення.

Якщо ж для прояву радіобіологічного ефекту потрібно n влучень у

дану мішень (при цьому n – 1 влучення ефекту не викликає), то вижи-

ваність клітин описується наступним виразом:

де k — кількість влучень у мішень (k < n).

Частіше усього загибель клітини викликається пошкодженням не

однієї, а кількох мішеней. Допустимо, що кількість цих мішеней дорів-

нює l, і загибель клітини станеться, якщо в кожну мішень потрапить

принаймні один квант. Тоді виживаність клітин дорівнює:

При великих дозах опромінення

або після логарифмування

Графік цієї залежності (рис. 9.12.) до зволяє визначити кількість мі-

шеней l, що уражаються.

§ 51. Модифікація радіобіологічних ефектів

Існують речовини, що підсилюють радіобіологічний ефект (радіосен-

сибілізатори) або ослаблюють його (радіопротектори). Дія одних модифі-

каторів виявляється до опромінення, а інших — після. Перші з них нази-

ваються модифікаторами профілактичної дії, а другі — терапевтичної.

Найбільше вивченими радіопротекторами є речовини, що володіють

антиоксидантними властивостями, тобто здатні інактивувати вільні

радикали. На практиці широко застосовують як радіо протектори суль-

фгідрильні сполуки: цистеїн, цистеамін, цистамін, глутатіон. 3Fамін

опропіламіноFетілфосфотионова кислота, що є аналогом цистеаміну,