Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем

Физическая, физико-химическая, химическая и биологическая стадии в действии ионизирующих излучений. Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем. Биологическое усиление радиационного поражения. Реакции клеток на облучение. Формы лучевой гибели клеток. Действие излучений на ткани, органы и системы организма

Факторы, вызывающие поражения людей при ядерных взрывах и радиационных авариях. Общая характеристика радиационных поражений. Понятие зон радиоактивного заражения. Очаги радиационного поражения.

В случае применения ядерного оружия на людей будут действовать различные виды ИИ, неблагоприятные факторы нелучевой природы, а также их комбинации. При ядерных взрывах именно эти воздействия вызывают поражение населения, поэтому наиболее важные из них называются поражающими факторами ядерного взрыва.

К числу поражающих факторов ядерного взрыва относятся ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение местности (РЗМ) и электромагнитный импульс. Прямым поражающим действием на организм человека обладают первые четыре фактора; электромагнитный импульс вызывает повреждения электронных и электротехнических устройств. По продолжительности действия различают кратковременно действующие поражающие факторы ядерного взрыва (ударная волна, световое излучение и проникающая радиация) и длительно действующий фактор – РЗМ. По физической природе поражающие факторы ядерного взрыва могут быть радиационными либо нерадиационными.

Радиационными факторами ядерного взрыва являются проникающая радиация и радиоактивное заражение местности (РЗМ).

Проникающая радиация ядерного взрыва представляет собою поток γ-излучения и нейтронов, распространяющийся в воздухе во все стороны из центра взрыва на расстояние до 3 км. Источником проникающей радиации являются ядерные реакции деления и синтеза, протекающие в боеприпасах в момент взрыва, а также радиоактивный распад продуктов ядерного деления.

Гамма-кванты могут быть мгновенными, испускаемыми в ходе протекания ядерных реакций взрыва, осколочными, образуемыми при радиоактивном распаде осколков деления, или захватными, возникающими при ядерных перестройках, вызываемых нейтронами в атомах воздуха и грунта. Нейтроны проникающей радиации могут быть мгновенными, испускаемыми в ходе протекания ядерных реакций взрыва, и запаздывающими, образующимися в процессе распада продуктов ядерного деления в первые 2-3 с после взрыва.

Время действия проникающей радиации при атомных и водородных взрывах не превышает нескольких секунд и определяется временем подъёма облака взрыва на такую высоту, при которой γ-излучение практически полностью поглощается толщей воздуха. Поражающее действие проникающей радиации на человека определяется дозой облучения, а также фактором неравномерности распределения этой дозы по телу.

Радиоактивное заражение местности возникает в результате выпадения радиоактивных веществ из облака ядерного взрыва. Его значение как поражающего фактора определяется тем, что высокие дозы облучения населения могут наблюдаться не только в районе, прилегающем к месту взрыва, но и за сотни километров от него. Кроме того, радиационное воздействие, обусловленное РЗМ, более продолжительно, чем действие проникающей радиации.

Наиболее существенное РЗМ происходит при наземных ядерных взрывах, когда площади заражения с опасными значениями мощности дозы излучения многократно больше размеров зон поражения ударной волной, световым излучением и проникающей радиацией. При воздушных ядерных взрывах РЗМ незначительно и не вызывает санитарных потерь.

Лучевое поражение людей, находящихся на РЗМ, обусловлено (в порядке убывания значимости) равномерным внешним γ-облучением тела, внешним β-облучением открытых участков кожи, конъюнктив и слизистых оболочек, а также излучениями радионуклидов, которые могут проникать в организм ингаляционным либо пероральным путём.

Ударная волна является основным поражающим фактором ядерных взрывов средней и большой мощности. Она представляет собою область резко сжатого воздуха, распространяющегося во все стороны от центра взрыва. Поражения людей ударной волной возникают в результате действия избыточного давления во фронте ударной волны, скоростного напора воздуха и действия вторичных ранящих снарядов (предметов, отброшенных скоростным напором воздуха).

В результате действия ударной волны у незащищённых людей могут возникать разнообразные травмы. В Хиросиме их получили 40% поражённых, её воздействием было обусловлено 20% смертельных исходов.

Световое излучение ядерного взрыва представляет собою поток видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучения, исходящий из светящейся области взрыва. Поражающее действие этого фактора обусловлено нагревом подлежащих поверхностей и вторичными ожогами от воспламенившейся одежды. При формировании зон обширных пожаров могут возникать «огненные бури», при которых возможны термические ожоги не только кожи, но и верхних дыхательных путей, а также массовые отравления оксидом углерода.

Радиус поражающего действия ударной волны, светового излучения и проникающей радиации представляет собою расстояние, на котором они могут поражать незащищённых людей. Для проникающей радиации этот показатель возрастает с увеличением мощности ядерного боеприпаса медленнее, чем радиус поражающего действия ударной волны и светового излучения ядерного взрыва. При взрывах сверхмалой (до 1 кт) и малой (1 – 10 кт) мощности он больше у проникающей радиации, чем у других кратковременно действующих поражающих факторов ядерного взрыва. При взрывах средней (10 – 100 кт), большой (100 – 1000 кт) и особо большой (> 1 Мт) мощности радиус поражающего действия ударной волны и светового излучения больше или равен таковому для проникающей радиации. У нейтронных боеприпасов, создающих повышенную интенсивность нейтронной компоненты проникающей радиации ядерного взрыва, радиус её поражающего действия существенно превосходит таковые для ударной волны и светового излучения. Эти соотношения учитываются при прогнозировании структуры санитарных потерь от ядерного оружия. При взрывах малой и сверхмалой мощности (включая нейтронные) можно ожидать появления большого количества больных с изолированными лучевыми поражениями. Санитарные потери в зоне кратковременно действующих факторов более мощных ядерных взрывов будут характеризоваться преобладанием комбинированных радиационных поражений, при которых клиника травм и ожогов будет отягощена облучением в различных дозах.

Другим техногенным источником радиационного фона является атомная энергетика, которая включает добычу и обогащение урановой руды, производство ядерного топлива, эксплуатацию ядерных энергетических установок, регенерацию отработанного ядерного топлива, захоронение и хранение радиоактивных отходов. И на всех этих стадиях в окружающую среду поступают радионуклиды. В целом ядерная энергетика в условиях нормальной эксплуатации оказывает на человека весьма слабое радиационное воздействие, приблизительно 0,05 % от дозы, создаваемой естественным фоном.

Следует подчеркнуть, что если сравнить систематические выбросы радиоактивных продуктов атомными и тепловыми электростанциями на мегаватт выработанной электроэнергии, то доза облучения населения в результате этих выбросов оказывается во втором случае всего в 3 раза ниже. Экологические последствия выбросов сажи, смол, СО, СО₂, окислов серы, азота, других токсических веществ, содержащихся в продуктах, поступающих в атмосферу при работе тепловых электростанций и практически не образующихся при работе атомных, несравненно тяжелее. В расчете на единицу выработанной электроэнергии ущерб здоровью только от канцерогенных (наиболее значимых при воздействии малых доз радиации) эффектов в результате эксплуатации АЭС оказывается по самым жестким оценкам в 100 раз меньше, чем при работе электростанций на угле.

При авариях или разрушениях ядерных реакторов основным радиационным фактором, способным вызвать поражения населения на прилегающих территориях, является РЗМ. Особенностями последнего являются более медленный, чем в случае ядерного взрыва, спад мощности дозы излучения на местности, более сложная конфигурация заражённых участков местности. Кроме того, внешнее β- и γ-облучение в поражающих человека дозах может происходить в момент прохождения радиоактивного паро-аэрозольного облака аварийного радиационного выброса. Масштаб РЗМ определяется типом аварийного ядерного реактора, степенью его разрушения и метеоусловиями.

При радиационной аварии риск поступления радионуклидов в организм выше, чем при ядерном взрыве, что обусловлено пребыванием некоторой их части в газообразном состоянии и способностью преодолевать противогазы и респираторы. В ранние сроки (несколько суток) после начала аварии наибольшую опасность представляет инкорпорация смеси радиоактивных изотопов йода. В более поздние сроки (спустя годы после аварии) на первый план выходит внутреннее облучение организма за счёт поступивших в него долгоживущих радионуклидов ₅₅Сs¹³⁷ и ₃₈Sr⁹⁰.

Поражение населения, обусловленное пребыванием в зоне следа облака аварийного радиационного выброса, так же как и на следе облака ядерного взрыва, определяются дозой внешнего g-облучения. Для удобства её расчёта на местности, подвергшейся радиоактивному загрязнению, выделяют зоны РЗМ. Характеристика зон РЗМ, методика расчёта их размеров и показателей уровня облучения находящегося в них личного состава (дозы, мощности дозы) содержится в соответствующих справочниках.

В условиях повседневной деятельности самые большие дозы облучения от всех техногенных источников радиации получают люди, работающие на объектах атомной энергетики. Профессиональные дозы почти повсеместно являются самыми большими из всех видов доз.

Оценки показывают, что доза, которую получают рабочие урановых рудников и обогатительных фабрик, составляет в среднем 1 чел.-Зв на каждый гигаватт-год электроэнергии. Примерно 90 % этой дозы приходится на долю рудников, причем персонал, работающий в шахтах, подвергается большему облучению. Коллективная эффективная доза от заводов, на которых получают ядерное топливо, составляет 1 чел.-Зв на гигаватт-год. Для людей, работающих с ядерными реакторами, индивидуальные дозы еще больше: среднегодовая коллективная эффективная доза для этой категории профессионалов составляет 10 чел.-Зв на гигаватт-год электроэнергии.

Профессиональные дозы получают не только рабочие предприятий атомной промышленности. Облучению подвергаются и работники обычных промышленных предприятий, а также медицинский персонал. Так, средняя эффективная доза, получаемая медицинским персоналом при снятии одной рентгенограммы, составляет от 1 до 4 мкЗв. Для стоматологов среднегодовые дозы облучения еще меньше. В целом считается, что вклад дозы, получаемой медицинским персоналом, занимающимся рентген-радиологическими обследованиями, в коллективную эффективную дозу всего населения в странах с высоким уровнем жизни составляет около 1 чел.-Зв на миллион жителей.

Понятие зон радиоактивного заражения и характеристика зон радиоактивного заражения были подробно изучены в рамках курса Мед.обеспечение мероприятий ГО.

В развитии поражения после воздействия ионизирующих излучений выделяют несколько стадий: физическую, физико-химическую, химическую и биологическую. Первые три из них оцениваются как первичные. Они являются общими как для живых организмов, так и для химических соединений, их растворов, смесей.

Содержание физической стадии составляют процессы поглощения энергии и образования ионизированных и возбужденных молекул, случайным образом распределенных в облученном объекте. Вероятность поглощения энергии той или иной молекулой не зависит от ее химической структуры, а определяется суммарной электронной плотностью, примерно одинаковой у разных биомолекул и у воды. Иными словами, в облученной клетке не существует структур, избирательно поглощающих энергию; возбужденными и ионизированными могут оказаться белки и углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды, молекулы воды и различных низкомолекулярных соединений. Количество энергии, поглощенной молекулами каждого типа, примерно пропорционально их массовой доле в растворе. Соответственно, в биологических системах органическими и неорганическими (кроме воды) молекулами поглощается около 25% энергии, а водой - 75%. Продолжительность физической стадии составляет 10^-16 - 10^-15 с.

В течение физико-химической стадии поглощенная молекулами энергия реализуется разрывами химических связей и образованием свободных радикалов. При этом вовсе не обязательно, чтобы связь разорвалась именно в том месте, где была поглощена энергия: последняя может мигрировать по макромолекуле и реализовываться в ее “слабом” месте.

В белковых молекулах участками, в которых чаще всего реализуется поглощенная энергия, являются тиоловые и дисульфидные группировки, а также аминокислоты, содержащие гетероциклические группировки (триптофан). В результате, хотя все аминокислоты поглощают энергию облучения с равной вероятностью, в конце физико-химической стадии некоторые из них оказываются избирательно пораженными.

Установлена миграция электронного возбуждения и по молекуле ДНК на расстояние порядка 1000-10000 пар оснований. В результате независимо от места поглощения энергии первичные повреждения формируются больше всего на наиболее возбуждаемых азотистых основаниях примидиновых нуклеотидов. Энергия может мигрировать не только в пределах молекулы ДНК, но и с нее на другое соединение, выполняющее по отношению к ДНК функцию радиопротектора.

Реализация мигрирующей по макромолекуле поглощенной энергии в месте присоединения к этой молекуле низкомолекулярных соединений может отчасти объяснить механизм радиозащитного действия некоторых препаратов.

Перераспределения возбужденными молекулами избыточной энергии и образование в результате ионов и радикалов с широким спектром химических свойств и составляет сущность физико-химической стадии в действии излучений. Продолжительность ее оценивается в 10^-14 - 10^-11 с.

Во время химической стадии образовавшиеся ранее высокоактивные свободные радикалы вступают в реакции между собой и со стабильными молекулами. В результате возникают разнообразные повреждения молекул.

Уже упоминалось, что в живых системах лишь около 25% поглощенной энергии приходится на долю биомолекул, а остальная часть поглощается водой. Если повреждение биомолекул происходит в результате непосредственного поглощения ими энергии, принято говорить о “прямом” действии радиации. Существует и “непрямое” действие, под которым понимают повреждение биомолекул продуктами радиолиза воды - свободными ее радикалами, способными уже чисто химическим путем вызывать изменения биомолекул.

При ионизации воды образуется ион Н₂О⁺ и электрон (е). Последний либо рекомбинирует (е + Н₂О⁺ Þ Н₂О), либо образует отрицательно заряженный ион: Н₂О + е Þ Н₂О ¯. Ионы Н₂О⁺ и Н₂О ¯ неустойчивы и разлагаются, образуя стабильные ионы Н⁺ и ОН ¯, рекомбинирующие с образованием воды, и свободные радикалы Н ^. и ОН ^. (Н₂О⁺ Þ Н⁺ + ОН^. ; Н₂О ¯ Þ ОН ¯ + Н^.). Свободные радикалы содержат неспаренный электрон и потому чрезвычайно реакционноспособны. В воде они живут не более 10^-5 с. За это время они либо рекомбинируют друг с другом, или вступают в химические реакции с другими молекулами, находящимися в растворе.

Среди основных продуктов радиолиза воды должен быть назван и гидратированный электрон (е_aq), обладающий высокой реакционной способностью как восстановитель.

Клетки аэробных организмов всегда содержат кислород, который активно вмешивается в процесс радиолиза воды. В присутствии кислорода высокоактивные окислительные радикалы образуются как из нейтральных молекул, так и из радикалов-восстановителей (е_aq, Н^.):

е_aq ¯ + О₂ Þ О₂ ¯;

е_aq ¯ + H⁺ + O₂ Þ HO₂^.;

Н^. + О₂ Þ НО₂^..

Продукт этих реакций - супероксидный анион-радикал - обладает выраженными окислительными свойствами. Таким образом, в присутствии кислорода увеличивается выход радикалов именно окислительного действия. Это отчасти объясняет радиосенсибилизирующее действие кислорода на биообъекты.

Продукты радиолиза воды способны вызывать практически все типы структурных повреждений, которые наблюдаются при прямом действии радиации. Сейчас невозможно точно указать, какая доля молекулярных повреждений в клетке после облучения связана с прямым, а какая - с непрямым действием радиаци. Полагают, что роль прямого действия выше для относительно слабо гидратированных структур, таких, как гидрофобные белки хроматина.

Биологическая стадия прослеживаются на всех уровнях организации живого, занимает значительно большее время, и продолжается иногда в течение всей жизни. Именно на биологической стадии и формируются те синдромы радиационных поражений, которые являются предметом непосредственной деятельности врача.

Особенности действия ионизирующего излучения таковы, что даже при смертельном облучении в дозе 4 Гр телу человека передается весьма небольшая энергия, при переводе в тепло которой возможно лишь нагревание 15 мл воды на 5⁰С. Феномен несоответствия между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакции биообъекта на облучение был назван Н.В.Тимофеевым-Рессовским “основным радиобиологическим парадоксом”. Объяснение этого явления лежит в превращениях, протекающих в химическую стадию действия радиации. По ее завершению изменения обнаруживаются во всех компартментах и структурах клетки. В липидной фазе накапливаются продукты перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот, обладающие радиомиметическими свойствами. В водной фазе обнаруживаются хиноны и семихиноны, которые, как и гидроперекиси липидов, относятся к первичным радиотоксинам.

Изменению подвергаются различные биомолекулы: нуклеиновые кислоты, белки, низкомолекулярные соединения. Повреждаемость молекул излучением количественно характеризуется относительным числом измененных молекул при некоторой дозе облучения. Обычно такие оценки даются для дозы 10 Гр.

После облучения в дозе 10 Гр в клетке оказывается поврежденной сравнительно небольшая доля молекул малого размера. Из числа молекул, находящихся в мономерном состоянии, эта доля составляет для угеводов 0,015%, для нуклеотидов 0,023%, для аминокислот - 0,36%. Повреждаемость этих же компонентов в составе макромолекул на 1-2 порядка ниже, а в составе надмолекулярных структур - еще на 1-2 порядка ниже. Т.е. при дозе 10 Гр, абсолютно смертельной для большинства млекопитающих, повреждается лишь незначительная часть низкомолекулярных компонентов живой клетки. Однако эта доля пропорциональна размеру молекулы и, следовательно, молекулярной массе вещества. Поэтому в полимерах с большой молекулярной массой число повреждений может быть достаточно большим. Для растворенных в воде белков при той же дозе это число составляет 1% от всех молекул, а для ДНК с молекулярной массой 6х10⁶ - 220 на 1 молекулу.

Таким образом, абсолютно пораженными оказываются лишь уникальные структуры клетки - молекулы ДНК. Именно с высокой повреждаемостью ДНК и с ее уникальным характером в качестве генетической матрицы связана ведущая роль повреждений ДНК во всех патологических реакциях клетки на облучение.

Повреждения ДНК сводится к одиночным и двойным разрывам цепочек спирали: происходит химическая модификация пуриновых и пиримидиновых оснований, их отрыв от цепи ДНК, разрушение фосфоэфирных связей в макромолекуле, распад дезоксирибозы. Кроме того, наблюдаются повреждения ДНК-мембранного комплекса, разрушение связей ДНК-белок, повышающее уязвимость ДНК при атаке вторичными радикалами и ферментами, сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок, нарушения вторичной, третичной и четвертичной структуры этого биополимера.

Реакции клеток на облучение

В живой клетке постоянно осуществляется обмен веществ с внешней средой, между отдельными внутриклеточными структурами. Молекулярные повреждения, возникшие в клетках на начальных стадиях действия ионизирующих излучений, изменяют ход обменных процессов, осуществляющихся при участии поврежденных структур. Поскольку локализация и характер первичных повреждений в той или иной молекулярной структуре клетки носит в значительной степени вероятностный характер, весьма разнообразны и связанные с ними изменения метаболизма.

Нарушение метаболических процессов, в свою очередь, приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке. Этот феномен получил наименование “ биологического усиления ” первичного радиационного повреждения. Однако, наряду с этим, в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций.

Судьба облученной клетки определяется соотношением эффективности процессов биологического усиления и репарации. Чем выше доза облучения, тем выше вероятность того, что в результате процессов биологического усиления появятся необратимые изменения, приводящие к гибели клетки, ее злокачественному перерождению, нарушению пролиферативной активности, ограничению дифференцировочных потенций, снижению функциональных возможностей. Чем ниже доза, чем меньше повреждений возникло в клетке, тем вероятнее восстановление от возникших повреждений и сохранение жизнеспособности и основных функций клетки.

Основные формы реакций клеток на облучение можно представить в виде таблицы:

Дата добавления: 2014-01-07