Введение
Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием альфа - и бета-частиц и гамма-квантов.
Все виды ионизирующего излучения характеризуются способностью ионизировать или возбуждать атомы или молекулы облучаемых веществ и тем самым вызывать повышение их химической активности.
Вопрос об обратимости лучевых изменений для организма в целом и для отдельных его органов и систем решен, особенно для воздействия таких величин доз излучений, которые используются с целью лучевой терапии.
Принято считать, что действие ионизирующей радиации является необратимым процессом. Различают три степени необратимости лучевого повреждения:
· Первая степень, наиболее легкая, развивающаяся при относительно небольших дозах облучения, носит название ложнообратимой. В таких случаях облученные ткани через некоторое время полностью восстанавливают свои функции, и каких-либо патологических изменений в них не обнаруживается. Действительно, в облученных тканях, после того как погибло определенное количество клеточных элементов, их места постепенно заполняются за счет дочерних клеток соседних неповрежденных элементов той же гистологической структуры, и, таким образом, функция ткани или органа в целом восстанавливается.
· Вторая степень повреждения тканей излучением возникает при воздействии больших доз облучения, когда число погибших клеток настолько велико, что их места не могут быть замещены за счет регенерации окружающих клеток той же гистологической структуры. Как и в случаях химического, термического и травматического повреждения тканей, постепенно происходит развитие соединительной ткани и на месте облучения образуется рубец, характер и размеры которого зависят от степени, площади и объема поврежденных тканей.
· Третья степень повреждения при наиболее тяжелых лучевых повреждениях, захватывающих относительно большие объемы тканей. Участки омертвевших тканей не могут быть восполнены даже за счет соединительнотканных элементов, и на таких местах образуются язвы, которые называются лучевые язвы.
Зависимость степени тяжести лучевого повреждения тканей от величины поглощенной дозы излучения закономерна лишь при сравнении биологического действия излучения одного вида. Было установлено, что степень тяжести лучевых повреждений при воздействии равных доз различных видов излучений может быть не одинаковой.
Неодинаковая степень тяжести лучевых повреждений, развивающихся при воздействии равных поглощенных доз некоторых видов ионизирующих излучений, называется относительной биологической эффективностью (ОБЭ).
Зависимость степени повреждения установлена также от распределения величины суммарной излучения во времени. Так, если облучение производится в течение короткого промежутка времени и более длительного при равных величинах дозы, то в первом случае степень повреждения будет более тяжелой, чем во втором в связи с тем, что регенеративные способности клетки не смогут в должной степени реализоваться. По той же причине степень лучевого повреждения будет меньше при облучении с перерывами, чем при непрерывном воздействии; увеличение промежутков между отдельными облучениями позволяет легче переносить воздействие.
Биохимические изменения в клетке
Различные виды ионизирующего излучения, в частности рентгеновы и гамма-лучи, могут вызывать ионизацию как молекул сложных органических и неорганических веществ, так и молекул растворителей, например воды. Так как все жизненные процессы протекают в водной среде, а живые ткани содержат по весу до 70-80% воды, возможность ионизации ее молекул под действием излучения приобретает важное биологическое значение и является причиной ряда изменений в клетках, развивающихся в результате воздействия энергии излучения на молекулы воды.
Также влияние излучения заключается в том, что энергия рентгеновых и гамма-лучей частично поглощается молекулами облучаемого вещества, которые приходят при этом в так называемое "возбужденное" состояние, то есть обладают большим запасом энергии. В результате этого создаются условия для протекания в облучаемой среде химических реакций, которые в обычных условиях протекают либо с очень незначительной скоростью, либо совсем не происходят. Таким образом, активирование молекул различных сложных химических соединений лучистой энергией может привести к глубоким изменениям химического характера, развивающимся в облученной клетке.
Образующиеся в тканях токсические продукты воздействуют, прежде всего, на различные биологически активные белковые соединения и отдельные, важные в функциональном отношении химические группы, входящие в состав молекулы белка - сульфгидрильные, карбоксильные, гидроксильные и другие. Особенно легко изменяются под влиянием окислителей сульфгидрильные группы SH, входящие в молекулу аминокислоты цистеина. Инактивирование сульфгидрильных групп цистеина, который в свою очередь входит в состав молекул различных ферментов, приводит к инактивации самих молекул ферментов. Следствием этого могут явиться серьезные нарушения обменных процессов в облученных тканях. Таким образом, казалось бы, небольшая степень ионизации, которая не может вызвать гибели клетки по размерам непосредственных первичных изменений, может привести к значительным сдвигам, если она затронула молекулу фермента.
При облучении клетки поражаются все ее структуры. Вероятность поражения тех или иных молекул определяется их размером: чем крупнее молекула, тем больше вероятность ее повреждения. Именно по этому в качестве основной мишени радиационного поражения клетки рассматривается дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).
В результате прямой ионизации самой молекулы ДНК происходит разрыв химических связей между атомами. Разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете нарушает непрерывность нити ДНК. Если разорвана одна из нитей, то говорят об однонитевом или одиночном разрыве. Совпадение разрывов противоположных нитей ДНК в одной точке приводит к появлению двойных (двунитевых) разрывов. Известно, что одиночные разрывы постоянно возникают в клетке и без всякой связи с облучением, просто вследствие тепловой нестабильности ДНК, а также в результате некоторых окислительных и ферментативных процессов. Более того, одиночные разрывы даже необходимы: при репликации ДНК молекула должна быть расплетена на участке синтеза, для чего одна нить должна иметь возможность вращаться относительно другой, чего невозможно достичь без ее разрыва. Предполагается, что при облучении возникают не только одиночные разрывы, аналогичные возникающим спонтанно, но еще появляются "комплексные", при которых в скелете ДНК рядом находится сразу несколько разорванных связей. Такие разрывы репарируются хуже, чем возникающие в нормальных условиях.
Двойные разрывы как при случайном пространственном совпадении одиночных разрывов в противоположных нитях ДНК, так и вследствие одномоментного повреждения обеих нитей при выделении в данном микрообъеме клетки большого количества энергии. Даже при действии редкоионизирующих излучений выделение энергии по объему клетки происходит не абсолютно равномерно, а дискретными порциями разной величины, так что в примерно равном объеме атомам может быть передано несколько электрон-вольт до нескольких сот электрон-вольт. При действии плотноионизирующих излучений общее число разорванных межатомных связей будет таким же, однако они будут менее равномерно распределены по длине молекулы ДНК. Общее число очагов поражения будет меньшим, зато "тяжесть" (концентрация разорванных межатомных связей на единицу микрообъема) каждого из них будет больше. Таким образом, при действии плотноионизирующих излучений число двойных разрывов на единицу дозы оказывается выше, чем при действии редкоионизирующих видов радиации. Так как одиночные разрывы репарируются гораздо лучше, чем двойные, тяжесть поражения клетки с увеличением доли двойных разрывов возрастает.
Разрыв межатомных связей в сахарно-фосфатном скелете ведет к нарушению непрерывности молекулы ДНК, что препятствует считыванию с нее генетической информации (если разрыв приходится на транскрибируемый участок генома), а также нормальной репликации ДНК и последующему распределению генетического материала между клетками. Разрыв скелета может сопровождаться разрывом связей в той части молекулы дезоксирибозы, которая не участвует в построении скелета ДНК. Такое повреждение рассматривается одновременно и как разрыв, и как повреждение нуклеотида. Повреждение основания и нуклеотиды подвергается дальнейшим химическим изменениям. Примером является окисление гуанина до 8-оксогуанина. Атака ДНК высокоактивными радикалами приводит к модификации оснований, например, присоединение радикала ОН к тимину превращает его в тимингликол.
Разрывы скелета ДНК частично восстанавливаются самостоятельно, частично с помощью системы ферментативной информации. Репарация не всегда заканчивается восстановлением исходной молекулы. Вместо воссоединения разорванной связи может возникнуть связь между свободными концами двух противоположных нитей молекулы ДНК, между свободными концами в местах разных разрывов одной и той же нити ДНК и даже между свободными концами разных молекул ДНК. Такое разнообразие новых связей является следствием того, что нити ДНК в ядре упакованы весьма плотно. Неправильное воссоединение разрывов приводит к возникновению хромосомных перестроек. Разрыв молекулы ДНК и окружающих ее белков при неправильном воссоединении приводит к образованию ДНК-белковых сшивок.
Неверная репликация оснований, а также их химическая модификация ведет к еще одному дефекту молекулы - появлению так называемых неспаренных оснований. В молекуле ДНК в норме существует только две пары комплементарных оснований - аденин - тимин и гуанин - цитозин. Замена одного из оснований каждой пары ведет к изменению генетического кода. Во время репликации ДНК в синтезируемой цепи вместо комплементарного гуанину цитозина напротив 8-оксогуанина будет выставлен аденин. При синтезе информационной РНК неверное основание приведет к неправильной кодировке и последующему включению в белковую молекулу ошибочного аминокислотного остатка. Помимо этого, некомплементарное основание меняет геометрию молекулы ДНК.
Некомплементарные основания образуются не только в результате облучения, но возникают и спонтанно как дефекты сложного процесса репликации ДНК. Поэтому системы репарации ДНК всегда активно работают в клетке, вне какой-либо связи с воздействием ионизирующей радиации. Однако облучение увеличивает как общее количество дефектов, так и создает поражения, которые по количеству на единицу длины молекулы превосходят повреждения, возникающие в нормальных условиях.
При воздействии редкоионизирующего излучения в дозе 2 Гр, вызывающем гибель от 10 до 90% клеток разных тканей человека, в ДНК одной клетки образуется около 2000 однонитевых и 80 двунитевых разрывов, повреждается 1000 оснований и формируется 300 сшивок с белком. Именно эти поражения и лежат в основе радиационной гибели клетки, длительного нарушения эффективности деления ее потомков и злокачественного перерождения, а в случае воздействия на половые клетки - и генетических последствий облучения родителей для потомства.
В основе развития лучевого повреждения лежат особые свойства поражающего действия излучений. Это можно представить следующим образом: ядерные излучения проникают в глубину клетки и реализуют повреждение за счет инактивации особенно важных для жизнедеятельности клетки биохимических систем. Следовательно, энергия ядерных излучений избирательно воздействует на определенные системы и не распределяется равномерно на весь объем клетки.
Путем многочисленных экспериментальных исследований было установлено, что чаще всего лучевое поражение наступает при инактивации сульфгидрильных групп ферментов, которые участвуют в синтезе нуклеиновых кислот и обуславливают процессы ядерного деления. В результате процесс деления либо прекращается, либо происходит патологическое изменение его с возникновением неполноценных дочерних клеток. В тех случаях, когда лучевая ионизация не затронула важные биохимические соединения, повреждение не реализуется и жизнедеятельность клетки практически не нарушается. Предполагают, что реализация повреждающего действия происходит тогда, когда лучевой ионизации и связанным с ней химическим изменениям подвергается 0,1-1 миллиард молекул.