Теории непрямого действия ионизирующих излучений

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 кисло​ты, ферменты, гормоны и другие жизненно важные вещества, явля​ющиеся основными компонентами клетки, которым легко может быть передана энергия, первоначально поглощенная водой.

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

При взаимодействии ионизирующих излучений (гамма-кванта, заряженной частицы) с электронной сферой атомов происходит воз​буждение 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 рекомбина​ции излучают избыток энергии в виде характеристического рентге​новского излучения.

В физическую фазу происходит взаимодействие иони​зирующего излучения с молекулой воды, в результате чего выбива​ется электрон с внешней орбиты атома и образуется положительно заряженный ион воды:

γ → Н₂О → ē + Н₂О⁺

«Вырванный» электрон присоединяется к нейтральной молеку​ле воды, образуя отрицательный ион воды:

ē + Н₂О → Н₂О^-

При эффекте возбуждения образуется нейтрально заряженная молекула воды с избытком энергии, привнесенной ионизирующим излучением:

g → Н₂О → Н₂О*.

Физико-химические свойства ионизированных и возбужденных молекул воды будут отличаться от молекул воды электрически ней​тральных. Продолжительность существования таких молекул очень короткая; они распадаются (диссоциируют), образуя высокореактив​ные свободные радикалы водорода и гидроксила (Н^• и ОН^•); насту​пает вторая фаза радиолиза воды — фаза первичных физи​ко-химических реакций:

Н₂О⁺ → Н⁺ + ОН^•

Н₂О^- → Н^• + ОН^-

Н₂О*→ Н^• + ОН^•

Гидроксильные радикалы (ОН^•) — сильные окислители, а ради​кал водорода (Н^•) – восстановитель. Образование свободных ради​калов может идти и другим путем. Вырванный из молекулы воды под действием излучения электрон может присоединиться к положительно заряженному иону воды с образованием возбужденной мо​лекулы:

Н₂О⁺ + ē → Н₂О*

Избыточная энергия этой молекулы расходуется на ее расщепле​ние с образованием свободных радикалов водорода и гидроксила:

Н₂О*→ Н^• + ОН^•

Ионизированная молекула воды (Н₂О⁺) может реагировать с дру​гой нейтральной молекулой воды (Н₂О), в результате чего образует​ся высокореактивный радикал гидроксила (ОН^•):

Н₂О⁺ + Н₂О → Н₃О⁺ + ОН^•

На этом заканчивается физико-химическая фаза и развивается третья фаза действия ионизирующего излучения – фаза хими​ческих реакций.

Обладая очень высокой химической активностью за счет нали​чия неспаренного электрона, свободные радикалы взаимодейству​ют друг с другом или с растворенными в воде веществами. Реакции могут идти следующими путями:

Н^• + ОН^• → Н₂О (рекомбинация, восстановление воды);

Н^• + Н^• → Н₂ (образование молекул водорода);

ОН^• + ОН^• → Н₂О + О^• (образование молекул воды и выделение кислорода, который является сильным окислителем);

ОН^• + ОН^• → Н₂О₂ (образование пероксида водорода).

При наличии в среде растворенного кислорода О₂ возможна ре​акция образования гидропероксидов:

Н^• + О₂ → НО₂^• (гидропероксидный радикал).

Эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем эф​фекте ионизирующего излучения.

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

НО₂^• + НО₂^• → Н₂О₂+О₂;

НО₂^• + Н^• → Н₂О₂ (пероксид водорода);

НО₂^• + НО₂^• → Н₂О₄ (высший пероксид).

Появление свободных радикалов и их взаимодействие составля​ют этап первичных химических реакций воды и растворенных в ней веществ, а в случаях облучения животных и растений — и биологи​ческих молекул.

Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неор​ганическими веществами идет по типу окислительно-восстанови​тельных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) дей​ствия. Величина прямого и непрямого действия в первичных радио​биологических эффектах различных систем неодинаковая. В абсо​лютно чистых сухих веществах будет преобладать прямое, а в слабо​растворенных – косвенное действие радиации. У животных, по дан​ным 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 биоло​гические объекты и величине их влияния на развитие лучевого по​ражения, по мнению авторов теории, можно судить по двум фено​менам — 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 посто​янным, так как в этих конкретных условиях в растворе образуется постоянное количество активированных радикалов. Эффект разве​дения достаточно четко проявляется в опытах in vitro с растворами и суспензиями микромолекул, вирусов, фагов и т. д. Он свидетельству​ет о величине косвенного действия радиации при лучевом повреж​дении 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 регистри​руется при облучении многоклеточных организмов.

Кислородный эффект.В развитии первичных реакций при облу​чении биообъектов большое значение имеет концентрация кисло​рода 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 назва​но кислородным эффектом. Выраженность кислородного эффекта у разных видов излучений неодинаковая и зависит от их линейной потери энергии (ЛПЭ); с повышением ее эффект уменьшается. При действии излучений с малой плотностью ЛПЭ (гамма- и рентгеновские лучи) наблюдается наибольший эффект, а при воздействии излуче​ний с высокой ЛПЭ (альфа-частицы) он полностью отсутствует. Кислородный эффект проявляется во всех радиобиологи​ческих реакциях ослаблением или усилением биохимических изме​нений, мутаций у всех биологических объектов (растений и живот​ных) и на всех уровнях их организации — молекулярном, субклеточ​ном, клеточном, тканевом.

Кислородный эффект нередко применяется при лечении боль​ных со злокачественными новообразованиями. Для усиления луче​вого поражения клеток опухоли создают условия повышенного со​держания кислорода в ней и одновременно для уменьшения радиа​ционного 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 организма. 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 низкомолекуляр​ных органических соединений. Свободные радикалы, взаимодей​ствуя с кислородом, образуют гидропероксиды, пероксиды и выс​шие пероксиды, которые оказывают токсическое действие на орга​низм. Стабилизация радикалов ОН^• в присутствии кислорода уве​личивает вероятность образования активных свободных радикалов органических веществ, которые присутствуют в облучаемой среде: RH + ОН^• → R^• + Н₂О. Образовавшиеся свободные радикалы орга​нических веществ в присутствии кислорода будут реагировать с ним, образуя пероксидный радикал (ROO^•), который, в свою очередь, реа​гируя с любым органическим веществом или молекулами воды, ини​циирует цепную реакцию образования активных свободных ради​калов и гидропероксидов, оказывающих токсическое действие на клетку:

R^• + O₂ → ROO^•

ROO^• + Н₂О → ROOH + ОН^•

ROO^• + R₁H → ROOH + R₁^•.

органи​ческое

вещество

Наличие кислорода в облучаемой среде усиливает также прямое действие радиации. При попадании гамма-кванта в молекулу орга​нического вещества, так же как и в случае с водой, образуются ак​тивные радикалы в результате ионизации и возбуждения молекул: ē

γ ~~→ RH —→ R^• + H⁺

RH* → R^• + Н^•

Эти радикалы, взаимодействуя с кислородом, образуют гидропе​роксиды и пероксиды, которые приводят к глубокому изменению молекул:

Н^• +О₂ → НО₂ – гидропероксид;

R^• + О₂ → ROO^• – пероксидный радикал органического вещества.

Кроме того, липиды биомембран под действием ионизирующего излучения в присутствии кислорода образуют пероксиды и продук​ты их распада (малоновый альдегид и др.). Таким образом, в кисло​родной среде образуется больше токсических веществ; их концент​рация выше, чем объясняется кислородный эффект.

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

Теория липидных радиотоксинов (первичных радиотоксинов и цеп​ных 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 ве​щества, которые при последующем введении их интактным живот​ным вызывают гемолиз. Идентификация веществ установила их липидную природу, что дало основание назвать их липидными радио​токсинами (ЛРТ).

Липидные радиотоксины представляют собой лабильный комп​лекс 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 ра​дикалов. В случаях, когда на один радикал образуются два или три, возникает самоускоряющийся процесс, который называют реакци​ей с разветвленными цепями. В организме животных в нормальных условиях низкий уровень окисления биолипидов обусловливают антиокислители — природные антиоксиданты. При лучевом воздей​ствии такое равновесие нарушается вследствие появления большо​го количества радикалов. Автокаталитический режим цепных реак​ций возникает в случаях, когда содержание естественных антиокис​лителей уменьшается на 10... 15 % (А. И. Журавлев). По мере умень​шения 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 поража​ются липиды клеточных мембран, что приводит к нарушению хи​мизма клетки, а затем образующиеся липидные радиотоксины вызывают окисление молекул других органических соединений живой ткани. Но и эта теория не является универсальной, посколь​ку накопление липидных радиотоксинов количественно не связа​но с ЛПЭ, а ЛПЭ в основном оп​ределяет ОБЭ ионизирующего из​лучения.

Структурно-метаболическая те​ория радиационного поражения.Ав​тор этой теории – русский уче​ный-радиобиолог А.М. Кузин, который сделал попытку создать единую универсальную теорию радиобиологического действия ионизирующего излучения. В этой теории ведущая роль в радиационном эффекте отводится нарушениям в кле​точном 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, подвер​гаясь воздействию ионизирующей радиации, в присутствии кисло​рода образуют пероксиды и продукты их распада. Эти изменения при​водят к нарушению проницаемости мембран и важных метаболичес​ких процессов: инактивации ферментов, гормонов, подавлению энер​гетических функций митохондрий и синтеза ДНК и РНК, расстрой​ству управляющих систем и другим тяжелым последствиям.

Таким образом, в структурно-метаболической теории к радиацион​ному 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 клет​ки, 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 рас​сматривают 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 излу​чения 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 неор​ганическими веществами по типу окислительных и восстановитель​ных реакций;

3) биохимические реакции, обусловливающие изменения функ​ций 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 аргумен​тацией и дает более детальное представление о первичных механиз​мах действия радиации на организм, которое в дальнейшем усили​вается нейроэндокринными и гуморальными реакциями, т. е. опо​средованно.