Реферат: Теория непрямого действия ионизирующих излучений

Название: Теория непрямого действия ионизирующих излучений
Раздел: Рефераты по коммуникации и связи
Тип: реферат

Министерство сельского хозяйства РФ

Воронежский государственный аграрный университет

им. К.Д. Глинки

Кафедра терапии, клинической диагностики и радиобиологии.

«Теория непрямого действия ионизирующих излучений».

Подготовила:

Студентка 4 курса

2 группы ФВМ

Возгорькова Е.О.

Воронеж

2008

Введение.

Ионизирующая радиация действует на организм как внешний или внутренний источник облучения. В последнем случае облучение происходит в результате попадания радиоактивных веществ в организм с пищей, воздухом и через поврежденные кожные покровы. Инкорпорированные вещества могут быть источником α, β , или γ-излучений. Возможно комбинированное воздействие внешним и внутренним облучением. Организм может подвергаться смешанному облучению, т. е. одновременному действию различных видов внешней ионизирующей радиации.

Особенности патогенетического действия различных видов лучистой энергии во многом зависят от их проникающей способности. Жесткие рентгеновские лучи, γ-излучение и нейтроны обладают очень большой проникающей способностью. Проникающие свойства мягких рентгеновских лучей, α и β -излучения ничтожны.

Ионизирующая радиация может либо вызвать преимущественное поражение кожных покровов, либо привести к возникновению лучевой болезни. Это объясняется тем, что слабо проникающие в ткани рентгеновские лучи, α и β -частицы, действуя на организм в качестве внешних излучателей, преимущественно поражают покровы тела.

Внешнее облучение жесткими рентгеновскими, γ -лучами и нейтронами, обладающими большой проникающей способностью, вызывает общее лучевое заболевание. Оно может быть вызвано также и внутренним облучением.

Действие инкорпорированных излучений определяется дозой попавшего в организм вещества, характером излучения, длительностью периода полураспада и быстротой выведения. При прочих равных условиях более вредны те радиоактивные вещества, которые депонируются в организме, например в костях (стронции, плутоний, радий).

Обзор литературы.

При косвенном действии ионизирующих излучений наиболее выражен процесс радиолиза (радиационного разрушения) воды, потому что вода составляет основу важнейших структур клетки (80-90%). Именно в воде растворены белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, гормоны и другие жизненно важные вещества, являющиеся основными компонентами клетки, которым легко может быть передана энергия, первоначально поглощенная водой.

Процесс радиолиза воды совершается в три фазы: в физическую – длится 10^-13 …10^-16 с; в фазу первичных физико-химических превращений – 10^-6 …10^-9 с; в фазу химических реакций – 10^-5 …10^-6 с. Физическая фаза по существу – один из моментов прямого действия ионизирующего излучения на молекулярные и биологические структуры клетки.

При взаимодействии ионизирующих излучений (гамма-кванта, заряженной частицы) с электронной сферой атомов происходит возбуждение и ионизация атомов или молекул вещества, через которые излучения проходят. При этом на один акт ионизации приходится от 10 до 100 возбужденных атомов, которые в процессе рекомбинации излучают избыток энергии в виде характеристического рентгеновского излучения.

В физическую фазу происходит взаимодействие ионизирующего излучения с молекулой воды, в результате чего выбивается электрон с внешней орбиты атома и образуется положительно заряженный ион воды. «Вырванный» электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды, образуя отрицательный ион воды. При эффекте возбуждения образуется нейтрально заряженная молекула воды с избытком энергии, привнесенной ионизирующим излучением.

Физико-химические свойства ионизированных и возбужденных молекул воды будут отличаться от молекул воды электрически нейтральных. Продолжительность существования таких молекул очень короткая; они распадаются (диссоциируют), образуя высокореактивные свободные радикалы водорода и гидроксила (Н⁺ и ОН^- ); наступает вторая фаза радиолиза воды — фаза первичных физико-химических реакций.

Гидроксильные радикалы (ОН') — сильные окислители, а радикал водорода (Н') — восстановитель. Образование свободных радикалов может идти и другим путем. Вырванный из молекулы воды под действием излучения электрон может присоединиться к положительно заряженному иону воды с образованием возбужденной молекулы. Избыточная энергия этой молекулы расходуется на ее расщепление с образованием свободных радикалов водорода и гидроксила.

Ионизированная молекула воды (Н₂ О⁺ ) может реагировать с другой нейтральной молекулой воды (Н₂ О), в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила (ОН').

На этом заканчивается физико-химическая фаза и развивается третья фаза действия ионизирующего излучения — фаза химических реакций.

Обладая очень высокой химической активностью за счет наличия неспаренного электрона, свободные радикалы взаимодействуют друг с другом или с растворенными в воде веществами. Реакции могут идти следующими путями:

1. рекомбинация, восстановление воды

2. образование молекул водорода

3. образование молекул воды и выделение кислорода, который является сильным окислителем

4. образование пероксида водорода.

При наличии в среде растворенного кислорода О₂ возможна реакция образования гидропероксидов. Эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем эффекте ионизирующего излучения.

Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пероксиды водорода и высшие пероксиды, которые обладают высокой токсичностью, но они очень быстро разлагаются в организме ферментом каталазой на воду и кислород.

Появление свободных радикалов и их взаимодействие составляют этап первичных химических реакций воды и растворенных в ней веществ, а в случаях облучения животных и растений — и биологических молекул.

Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) действия. Величина прямого и непрямого действия в первичных радиобиологических эффектах различных систем неодинаковая. В абсолютно чистых сухих веществах будет преобладать прямое, а в слаборастворенных — косвенное действие радиации. У животных, по данным А. М. Кузина, примерно 45 % поглощенной энергии излучения действует непосредственно на молекулярные структуры — прямое действие, а остальные 55 % энергии вызывают непрямое действие.

О различии прямого и косвенного действия радиации на биологические объекты и величине их влияния на развитие лучевого поражения, по мнению авторов теории, можно судить по двум феноменам — эффекту разведения и кислородному эффекту.

Эффект разведения — состояние, при котором абсолютное число поврежденных молекул веществ в слабом растворе не зависит от его концентрации и остается для данной экспозиционной дозы постоянным, так как в этих конкретных условиях в растворе образуется постоянное количество активированных радикалов. Эффект разведения достаточно четко проявляется в опытах с растворами и суспензиями микромолекул, вирусов, фагов и т. д. Он свидетельствует о величине косвенного действия радиации при лучевом повреждении этих микроскопических структур. Однако эффект разведения не проявляется при облучении суспензий перевиваемых клеток и тканей животных, так как в данном случае большая часть активных радикалов воды поглощается «поверхностными» метаболитами и не доходит до активных макромолекул клетки. Он также не регистрируется при облучении многоклеточных организмов.

Кислородный эффект. В развитии первичных реакций при облучении биообъектов большое значение имеет концентрация кислорода в среде. С повышением его концентрации в окружающей среде и объекте облучения усиливается эффект лучевого поражения, и, наоборот, при понижении концентрации кислорода наблюдается уменьшение степени лучевого поражения. Это явление было названо кислородным эффектом. Выраженность кислородного эффекта у разных видов излучений неодинаковая. Кислородный эффект проявляется во всех радиобиологи -ческих реакциях ослаблением или усилением биохимических изменений, мутаций у всех биологических объектов (растений и животных) и на всех уровнях их организации — молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом.

Кислородный эффект нередко применяется при лечении больных со злокачественными новообразованиями. Для усиления лучевого поражения клеток опухоли создают условия повышенного содержания кислорода в ней и одновременно для уменьшения радиационного повреждения здоровых клеток обеспечивают гипоксическое состояние окружающих тканей.

У млекопитающих максимальная радиочувствительность тканей отмечается при нормальном парциальном давлении кислорода (30...45 гПа). Снижая насыщенность тканей кислородом, можно повысить радиорезистентность животного. Повышение содержания кислорода в окружающей среде и в объекте облучения после лучевого воздействия положительно влияет на процессы пострадиационного восстановления.

В присутствии кислорода происходит значительное усиление косвенного действия продуктов радиолиза воды и низкомолекулярных органических соединений. Свободные радикалы, взаимодействуя с кислородом, образуют гидропероксиды, пероксиды и высшие пероксиды, которые оказывают токсическое действие на организм. Стабилизация радикалов ОН' в присутствии кислорода увеличивает вероятность образования активных свободных радикалов органических веществ, которые присутствуют в облучаемой среде. Образовавшиеся свободные радикалы органических веществ в присутствии кислорода будут реагировать с ним, образуя пероксидный радикал (КОО'), который, в свою очередь, реагируя с любым органическим веществом или молекулами воды, инициирует цепную реакцию образования активных свободных радикалов и гидропероксидов, оказывающих токсическое действие на клетку. Наличие кислорода в облучаемой среде усиливает также прямое действие радиации. При попадании гамма-кванта в молекулу органического вещества, так же как и в случае с водой, образуются активные радикалы в результате ионизации и возбуждения молекул. Эти радикалы, взаимодействуя с кислородом, образуют гидропероксиды и пероксиды, которые приводят к глубокому изменению молекул. Кроме того, липиды биомембран под действием ионизирующего излучения в присутствии кислорода образуют пероксиды и продукты их распада (малоновый альдегид и др.). Таким образом, в кислородной среде образуется больше токсических веществ; их концентрация выше, чем объясняет кислородный эффект.

Существует целый ряд гипотез, отражающих преимущественно непрямое действие ионизирующих излучений, т. е. качественную сторону возникновения и развития послелучевых процессов в организме.

Теория липидных радиотоксинов (первичных радиотоксинов и цепных реакций).

Эта теория была предложена в 50-е годы Б. Н. Тарусовым, Ю. Б. Кудряшовым, Н. М. Эмануэлем. Они показали, что уже в первые часы после облучения в тканях животных образуются вещества, которые при последующем введении их интактным животным вызывают гемолиз. Идентификация веществ установила их липидную природу, что дало основание назвать их липидными радиотоксинами (ЛРТ).

Липидные радиотоксины представляют собой лабильный комплекс продуктов окисления ненасыщенных кислот, гидропероксидов, альдегидов, эпоксидов и кетонов. Они вызывают не только гемолиз, но и другие реакции, характерные для лучевого поражения: торможение клеточного деления, нарушение кроветворения, повреждение хромосомного аппарата и др.

Для осуществления цепных реакций необходимы радикалы с большой энергией, достаточной для образования последующих радикалов. В случаях, когда на один радикал образуются два или три, возникает самоускоряющийся процесс, который называют реакцией с разветвленными цепями. В организме животных в нормальных условиях низкий уровень окисления биолипидов обусловливают антиокислители — природные антиоксиданты. При лучевом воздействии такое равновесие нарушается вследствие появления большого количества радикалов. Автокаталитический режим цепных реакций возникает в случаях, когда содержание естественных антиокислителей уменьшается на 10... 15 % (А. И. Журавлев). По мере уменьшения числа реакционноспособных молекул в субстрате реакция затухает; при этом снижается количество радикалов и пероксидов и увеличивается выход конечных продуктов .

По мнению авторов гипотезы, при облучении вначале поражаются липиды клеточных мембран, что приводит к нарушению химизма клетки, а затем образующиеся липидные радиотоксины вызывают окисление молекул других органических соединений живой ткани.

Структурно-метаболическая теория радиационного поражения.

Авторэтой теории — русский ученый-радиобиолог А. М. Кузин, который сделал попытку создать единую универсальную теорию радиобиологического действия ионизирующего излучения на основе анализа собственных исследований и накопленного за десятилетия научного материала других авторов, начиная от теории прямого действия на клеточном уровне и кончая высокоорганизованными многоклеточными организмами.

Свои идеи А. М. Кузин представил в монографии «Структурно метаболическая теория в радиобиологии» (1986г.). В этой теории ведущая роль в радиационном эффекте отводится нарушениям в клеточном ядре и биомембранах. Биомембраны играют исключительно важную роль в делении клетки. Экспериментально было показано, что ДНК связана с биомембранами: начало расплетания спирали и синтеза ДНК происходит в точках ее прикрепления к мембране. На поверхности биомембран имеются особые рецепторы, передающие сигналы гормонов через липиды мембран. Липиды мембран, подвергаясь воздействию ионизирующей радиации, в присутствии кислорода образуют пероксиды и продукты их распада. Эти изменения приводят к нарушению проницаемости мембран и важных метаболических процессов: инактивации ферментов, гормонов, подавлению энергетических функций митохондрий и синтеза ДНК и РНК, расстройству управляющих систем и другим тяжелым последствиям.

Таким образом, в структурно-метаболической теории к радиационному поражению ядерных макромолекул как фактору прямого действия согласно теории мишени добавляются нарушение цитоплазматических структур и изменение нормального их функционирования.

А. М. Кузин ввел понятие о веществах, влияющих на геном клетки, и назвал их триггер-эффекторами. Под действием различных доз радиации триггер-эффекторы (семихиноны, хиноны, гормоны и др.) в зависимости от их концентрации могут оказывать депрессивное или репрессивное действие на геном клетки, а следовательно, и на биосинтетические процессы. Само ионизирующее излучение рассматривают как неспецифический триггер-эффектор. Признано, что ионизирующие излучения в числе других факторов внешней среды являются постоянными раздражителями биологических объектов, своеобразным стресс-фактором. Реакция организма зависит от силы раздражителя, т. е. от дозы ионизирующего излучения. Под влиянием радиации в организме не возникает принципиально новых химических соединений. Некоторые из токсических метаболитов всегда в небольших количествах содержатся в клетках здоровых тканей. Под действием радиации содержание их значительно увеличивается и дополнительно появляются новые токсические соединения. Первичные радиотоксины образуют большое количество вторичных радиотоксинов, которые играют существенную роль в патогенезе и исходе лучевых поражений.

В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты условно можно выделить следующие этапы:

1) первичные физические явления — поглощение энергии излучения атомами и молекулами биологического объекта, в результате они могут претерпевать возбуждение, ионизацию или диссоциацию;

2) радиационно-химические процессы, при которых образуются свободные радикалы, взаимодействующие с органическими и неорганическими веществами по типу окислительных и восстановительных реакций;

3) биохимические реакции, обусловливающие изменения функций и структур органов и систем и реакций целостного организма.

Они определяют в конечном итоге механизм развития и специфику патологического процесса.

Структурно-метаболическая теория отличается большей аргументацией и дает более детальное представление о первичных механизмах действия радиации на организм, которое в дальнейшем усиливается нейроэндокринными и гуморальными реакциями, т. е. опосредованно.

Опосредованное действие радиации.

Четко выделить непосредственные и опосредованные пути воздействия ионизирующего излучения на организм трудно.

Участие нервной системы в опосредованном действии ионизирующего излучения хорошо показано в трудах отечественных ученых И. Р. Тарханова, М. Н. Ливанова, А. В. Лебединского и др., которые отметили высокую чувствительность нервной системы к радиации и одновременно высокую пластичность и способность к компенсации.

Путем химической (анестезия) и хирургической (рассечение) денервации выяснено рефлекторное воздействие облучения на трофику тканей. При малых дозах происходит усиление биохимических процессов, а при больших дозах (500 Р и более) возникают глубокие трофические расстройства, приводящие к образованию язв. Опосредованное участие нервной системы в реакциях на облучение обнаружено при развитии изменений во всех тканях и системах организма. Один из механизмов этого участия — рефлекторный, при этом в процесс вовлекаются вегетативный отдел нервной системы, ретикулярная формация и, вероятно, кора и подкорка.

Вторым путем опосредованного влияния радиации на функции и структуры органов служит эндокринная система. Ряд исследователей, особенно зарубежных, определяют лучевое поражение как одну из форм стресс-реакции. Обоснованием для этого вывода послужило то, что в первое время после лучевого воздействия наступает гиперсекреция коры надпочечников, уменьшаются размеры тимуса и селезенки, развивается лимфопения. Облучение животных после удаления надпочечников не приводит к указанным изменениям в органах (П. Д. Горизонтов). В опосредованных реакциях на лучевое воздействие участвуют также гипофиз, щитовидная и другие эндокринные железы.

В качестве гуморального пути опосредованного действия радиации служат токсические вещества, образующиеся в организме при лучевой болезни. По П. Д. Горизонтову, понятие «радиотоксины» (лучевые токсины, токсические вещества) включает качественные и количественные изменения биологических свойств крови, лимфы, тканевой жидкости и других сред, развивающиеся при воздействии радиации и либо вызывающие патологические изменения, либо усугубляющие течение лучевого поражения. В определенные этапы лучевой болезни к токсическим агентам с полным основанием можно отнести медиаторы, гормоны, ферменты, продукты обмена веществ и распада тканей. Например, при облучении в крови повышается содержание ацетилхолина, который возбуждает рвотный центр, что вызывает рвоту; увеличенное выделение надпочечных гормонов приводит к повышению содержания гликогена в печеночной ткани. Облучение цитоплазмы клеток HeLa приводит к торможению синтеза ДНК в ядре (А. М. Кузин). Установлено лейкопеническое действие крови облученных доноров при введении ее интактным реципиентам. Бактерицидные свойства кожи после введения радиотоксинов из облученных тканей восстанавливаются до исходного уровня через 14...16дней, что на несколько дней опережает восстановление морфологического состава крови (Н. А. Свердлов).

Заключение.

Из приведенных материалов видно, что опосредованное действие радиации имеет большое значение в развитии основных синдромов лучевого поражения. Исследование механизмов непосредственного и опосредованного действий радиации на организм позволяет более дифференцированно использовать методы усиления или ослабления того или иного процесса лучевого повреждения, что имеет очень важное значение для лечения животного.

Эффекты, возникающие при действии ионизирующего излучения на организм, делят на 3 группы:

1) соматические нестохастические (детерминированные) — эффекты, возникающие у облученного сразу после облучения большими дозами — острая и хроническая лучевая болезнь, локальные лучевые повреждения (катаракта), поражения кожи, нарушение репродуктивной функции и т. д. Вероятность появления такого эффекта в целом практически равна нулю при малых дозах, но будет резко возрастать при превышении некоторого уровня (порога) доз. Таким образом, тяжесть эффекта определяется дозой;

2) соматические стохастические — эффекты, возникающие у облученного через длительное время после облучения, т. е. это отдаленные последствия: понижение сопротивления инфекциям, сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей, лейкозов. Предполагают, что вероятность их проявления и тяжесть являются беспороговой функцией дозы;

3) генетические или наследственные — эффекты, проявляющиеся в потомстве облученных людей и животных. Эти эффекты являются также стохастическими. При этом могут возникать доминантные и рецессивные генные мутации, хромосомные аберрации.