Теории и гипотезы биологического действия ионизирующих излучений

1. Они способны проникать в живые организмы.

2. Воздействие ионизирующей радиации большинство живых организмов не ощущает - у животных и человека отсутствуют специальные для восприятия излучения анализаторы.

3. Особенности биологического действия ионизирующих излучений в основном связаны с особенностями передачи энергии биосубстрату.

4. Между временем воздействия ионизирующих излучений на организм и развитием радиопатологического эффекта существует латентный период, продолжительность которого зависит от величины поглощенной дозы обратно пропорционально.

5. Биологическое действие малых повторяющихся доз излучения может суммироваться или накапливаться, т.е. наблюдается кумулятивный эффект.

6. При гамма-облучении поглощённой дозой приблизительно в 1 Гр, ткани млекопитающих поглощают ничтожно малую энергию - около 8,4·10³ кДж/кг. Для сравне­ния можно сказать, что такое же количество энергии расходуется при повышении температуры тела только на 0,001° С.

7. Несоответствие между величиной поглощенной энергии ионизирующего излучения организмом и значительным радиобиологическим патологическим эффектом – так называемый основной «радиобиологический парадокс», который до сих пор остался не решенным. Парадокс заключается в том, что энергия общего облучения человека и животного в дозе 4-5 Гр, которая может привести к летальному исходу, соответствует всего 67 калориям тепловой энергии или чайной ложке выпитого горячего кофе, а также механической работе по поднятию тела массой в 70 кг на высоту в 40 см.

8. Биологические последствия облучения лежат в основе сложных процессов нарушения деятельности кроветворной, иммунной, эндокринной, нервной и других систем организма.

Механизм БДИИ на живой организм по своим характеристикам сложный многофакторный и пока еще окончательно не выяснен. До настоящего времени мы не имеем единой объединяющей теории механизма их действия на живой организм. Вот почему для его объяснения предложено более 10 гипотез и теорий.

Рассматривая эти теории и гипотезы следует заметить, что каждая отдельно взятая из них не объясняет механизм первичного биологического действия ионизирующих излучений. И в основе этого недостатка лежит невозможность пока еще экспериментального подтверждения их положений на растениях и животных.

Итак, в 1903 году Г. Шварц выдвинул лецитиновую теорию, согласно которой под воздействием ионизирующих излучений происходит разложение лецитина с образованием холиноподобных токсических веществ, отравляющих организм.

В 1905 г. Бергонье и Трибондо выдвинули теорию нарушения обмена веществ, наиболее проявляющиеся у молодых делящихся клеток с наиболее интенсивным обменом веществ.

В 1911 г. Е.С. Лондон объяснил первичные лучевые процессы в тканях организма нарушениями ферментативных процессов.

В 1923 г. Ф. Дессауэр на основе представления о прямом действии ионизирующих излучений выдвинул гипотезу теплового эффекта (точечного тепла), по которой в точках взаимодействия (микрообъемах) этих излучений с биосубстратом их энергия превращается в тепловую с резким локальным повышением температуры, ведущим к структурно-функциональным нарушениям.

Так была выдвинута теория "мишени", согласно которой поражающее действие ионизирущих излучений происходит только при попадании их в так называемый чувствительный объём клетки, т.е. «мишень».

По мнению Дессауэра результат клеточной реакции зависит от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы - мишени. При этом в зависимости от количества попаданий может наступить или гибель клетки или её генетические повреждения.

Принцип попадания и мишени и разработанная на их основе теория мишени получили свое развитие в трудах Д. Кроузера, Н.В. Тимофеева-Ресовского, К. Циммера, Д. Ли и др. исследователей.

Однако теория мишени не учитывает кинетики первичных реакций, с ее помощью нельзя объяснить развитие первичных физико-химических реакций во времени и их зависимость от состояния организма и условий внешней среды.

В том же 1923 г. Штраус изложил свою гипотезу лучевого поражения, по которой наиболее радиочувствительным компонентом клетки являются липоиды ароматического ряда.

В 50-е годы, когда были обнаружены вследствие облучения различных тканей и органов животных липидные радиотоксины, Б.Н. Тарусов и Н.М. Эмануэль выдвинули концепцию о решающей роли цепных окислительных реакций липидов с образованием липидных радиотоксинов в начальных процессах лучевого поражения. Эта теория может объяснить в сложной цепи лучевых реакций лишь повреждение клеточных мебран, состоящих из липидов, вследствие чего возникает нарушение химизма живой клетки.

Рис. 4.1. Схема развития лучевого токсического эффекта по А.М. Кузину

В 1965 г. А.М. Кузиным была выдвинута структурно-метаболическая теория лучевого поражения, согласно которой в клетке под воздействием ионизирующих излучений происходят как радиационно-химические повреждения, так и вследствие биохимических процессов усиления синтезируются высоко химически активные продукты, дополнительно повреждающие биологически важные макромолекулы с образованием низкомолекулярных токсических метаболитов - хинонов и ортохинонов, которые наряду с первичными радиотоксинами играют существенную роль в патогенезе и исходе лучевых поражений.

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. Последние, 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 (семихиноны, хиноны, гормоны и др.), влияющих на геном клетки, и назвал их триггер-эффекторами (trigger,англ. - переключательное устройство, которое сколь угодно долго сохраняет одно из двух своих состояний устойчивого равновесия и скачкообразно переключается по сигналу извне из одного состояния в другое). Под действием различных доз радиации триггер-эффекторы в зависимости от их концентрации могут оказывать депрессивное или репрессивное действие на геном клетки, и, следовательно, 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.

В конце 60-х годов О. Хуг и А. Келлер предложили стохастическую теорию, явившуюся дальнейшим развитием теории прямого действия ионизирующих излучений и учитывающую различные случайные события, влияющие на конечный биологический эффект. Эта теория рассматривает различные многофакторные вероятностные возмущения биологической системы, возникающие в процессе жизнедеятельности и под воздействием ионизирующих излучений в облучаемом биологическом объекте. Она использует методы математического моделирования и сложный математический аппарат, стремясь к максимальному соответствию динамической биохимии и молекулярной биологии в представлениях о совершаемых явлениях, позволяет производить многофакторный количественный анализ и интерпретировать получаемые экспериментальные данные.

Наибольшее распространение получила теория прямого и непрямого действия радиоактивных излучений.

Согласно существующим теориям механизм повреждения биологических структур основан на прямом и непрямом действии ионизирующих излучений.

Прямое действие - непосредственная передача энергии веществу.

Теория прямого действия ионизирующего излучения даёт более широкое биологическое объяснение эффекта радиационного поражения клетки, чем теория "мишени", не исключая и попадание энергии в наиболее чувствительные участки клетки, имеющие решающее значение для её жизнедеятельности.

Теория непрямого действия предполагает первоначально прямое действие. Больше всего при этом образуется продуктов радиолиза воды, составляющей 80-90% массы клетки - основу её важнейших структур. 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. А затем уже продукты прямого действия, а это ионы, радикалы и перекиси, являющиеся химически активными, вступают во взаимодействие с молекулами клеток растений и животных и вызывают их повреждения.

Процесс радиолиза воды совершается в три фазы: физическую, первичных физико-химических превра­щений и химических реакций.

Физическая фаза по существу является моментом прямого действия ионизирующего излучения на молекулярные и биологические струк­туры клетки и длится 10^-13 - 10^-16 с.

При взаимодействии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений с электронной сферой атомов происходит возбуждение и ионизация атомов или молекул вещества в соотношении на один акт ионизации 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:

γ → Н₂О → ē + Н₂О⁺.

«Вырванный» электрон присоединяется к нейтральной молекуле 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^*.

В фазу первичных физико-химических превра­щений, длящейся примерно 10^-6-10^-9cекунды физико-химические свойства ионизированных и возбужденных молекул воды отличаются от электрически нейтральных молекул воды. Продолжительность существования таких молекул очень короткая и они диссоциируют (распадаются), образуя высокореактивные свободные радикалы водорода и гидроксила Н^* и ОН^•:

Н₂О⁺ → Н⁺ + ОН^•

Н₂О^- → Н^• + ОН^­-

Н₂О^• → Н^• + ОН^•

Гидроксильные радикалы (ОН*) - сильные окислители, а радикалы водорода (Н*) - восстановители. 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:

Н₂О⁺ + ē → Н₂О^•.

Избыточная энергия этой молекулы расходуется на ее расщепле­ние с образованием свободных радикалов водорода и гидроксила:

Н₂О^• → Н^• + ОН^•.

Ионизированная молекула воды Н₂О⁺ может реагировать с нейтральной молекулой воды Н₂О, в результате чего образует­ся высокореактивный радикал гидроксила ОН^•:

Н₂О⁺ + Н₂О → Н₃О⁺ + ОН^•.

Затем наступает фаза хими­ческих реакций, которая продолжается 10^-5–10^-6 секунды. Обладая очень высокой химической активностью за счет нали­чия неспаренного электрона, свободные радикалы взаимодействуют друг с другом или с растворенными в воде веществами по следующим типам реакций:

· рекомбинация, восстановление воды: Н^• + ОН^• → Н₂О^•;

· образование молекул водорода: Н^• + Н^• → Н₂;

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

· образование пероксида водорода: ОН^• + ОН^• → Н₂О₂.

При наличии в среде растворенного кислорода 0₂ возможна реакция образования гидропероксидов: Н^• + О₂. → НО^•₂

и производные их взаимодействий:

НО^•₂ + НО^•₂ → Н₂Н₂ + О₂;

НО^•₂ + Н^• → Н₂Н₂ - пероксид водорода;

НО^•₂ + НО^•₂ → Н₂Н₄ - высший пероксид.

Пероксиды водорода и высшие пероксиды обладают высокой токсичностью, но в организме очень быстро разлагаются ферментом каталазой на воду и кислород.

Появление свободных радикалов и их взаимодействие составляют этап первичных химических реакций воды и растворенных в ней веществ, в том числе и биологических молекул.

Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект непрямого 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.

При непрямом действии ионизирующих излучений возможно образование и таких химических веществ, которые, конкурируя со свободными радикалами, выполняют защитную функцию от воздействия эффекта радиации. К ним в первую очередь по выраженности защитных свойств относятся вещества, содержащие SH-группы: цистеин, цистеамин, глютатион и др. По теории косвенного действия такого рода химическая защита обусловлена конкуренцией между так называемыми протекторами или, иначе, радиопротекторами, и биологическими макромолекулами за свободные радикалы, что ведёт к ослаблению повреждающего действия облучения на биосубстрат - химические вещества клетки, подвергающиеся превращениям под действием ферментов.

Биологическое действие ионизирующих излучений совершается поэтапно, но в очень короткие интервалы времени. Процесс взаимодействия ионизирующих излучений с веществом путем передачи энергии на молекулярном уровне измеряется временем около 10^-15-10^-13 секунды. А радиационно-химические реакции и процессы усиления поражения, непосредственно затрагивающие различные метаболические процессы, протекают в более длительные интервалы времени: около 10^-10-10^-4 секунды. Развитие радиационного повреждения на клеточном уровне реализуется в течение 10-24 часов и до 3-х суток включительно, т.е. в течение жизненного цикла различных здоровых клеток.

Итак, в развитии биологического действия ионизирующего излучения различают три этапа: физический, химический и биологический.

Физический - возбуждение и ионизация атомов и молекул. При этом в клетке около 30% ионизированных и возбуждённых молекул приходится на органические вещества.

Химический - этап взаимодействия активных радикалов и перекисей, энергично вступающих в химические реакции с ненарушенными молекулами других веществ клетки.

На этих этапах образуются радиотоксины - продукты физических и химических превращений, чуждых живому организму.

Биологический этап - радиационно-химические изменения в бисубстрате клетки ведут к нарушениям во всех участках биологических структур клетки. В результате прямого и косвенного действия ионизирующих излучений происходят изменения в молекулярных структурах ядер клеток, в хромосомном аппарате, в ДНК и ДНП (дезоксирибонукленовые протеиды - сложные белки, преставляющие собой соединения белков с небелковыми веществами).

Затем следуют изменения физиологических функций, повреждение ядерного аппарата, нарушение ростковых процессов, появление внешних морфологических аномалий и изменение генома, т.е. совокупности генов, содержащихся в гаплоидном (одинарном) наборе хромосом данного организма.

Повреждения ядерных структур приводят к нарушению согласованного процесса синтеза ДНК-РНК-белок. Гидролитические ферменты, проникающие в ядра клеток через повреждённые мембраны, разрушают нуклеопротеоидный комплекс ДНК и белки. А поражение генетических структур (ДНК) обусловливает мутагенное действие радиации. Повреждение внутриклеточных мембран вследствие как прямого действия ионизирующего излучения, так и свободными радикалами и радиотоксинами - непрямое действие, приводят к всевозможным внутриклеточным нарушениям.

Так, радиотоксины могут активно взаимодействовать с дезоксирибонуклеопротеидами (ДНП и ДНК) и действовать на внутренние мембраны клеток, вызывая генетические эффекты. При воздействии на мембраны митохондрий возникают нарушения сопряжённых реакций окислительного фосфорилирования. А липидные радиотоксины, являющиеся продуктами окисления ненасыщенных жирных кислот, действуют в основном на мембраны. Хиноидные радиотоксины действуют в основном на ДНК ядер и нарушают в ней генетический код - систему зашифровки наследственной информации.

В результате под воздействием ионизирующих излучений происходят хромосомные аберрации (перестройки) - это структурные изменения хромосом, следствием которых являются нарушения клеточного деления и изменения, передающиеся по наследству - мутации.

Возникающие в хромосомах разрывы - это первоначальный процесс хромосомной перестройки, состоящий из двух этапов. На первом этапе происходит разрыв хромосом на две и более частей, а на втором эти фрагменты соединяются, но при этом возможны рекомбинации, ведущие к хромосомным перестройкам. При множественных разрывах хромосом некоторые фрагменты не воссоединяются и образуются так называемые микроядра, при делении клеток они не расщепляются и целиком переходят в дочерние клетки и в дальнейшем не функционируют.

Согласно гипотезе пространственной координации ферментные системы и субстраты в клетке пространственно разграничены мембранами, что обеспечивает нормальное протекание биохимических процессов в ней.

Под действием облучения проницаемость клеточных мембран нарушается, ферменты высвобождаются из мест их локализации и, соединяясь с субстратами, начинают последние разрушать.

Малые дозы облучения усиливают обменные процессы, что может даже стимулировать жизнедеятельность клетки. При высоких дозах облучения обмен веществ теряет свои жизнеобеспечивающие характеристики, жизненно важные молекулярные структуры разрушаются и клетка погибает.

Ферменты, высвобождающиеся в цитоплазме и имеющие белковую структуру, легко проникают через ядерные оболочки в ядро и повреждают его. Ферменты, локализующиеся в ядре, могут поступать из него в цитоплазму и изменять её структуру.

Цитоплазма и ядро клетки в разной степени чувствительны к ионизирующему излучению. Так, в цитоплазме клеток американским исследователем Е.Зерклом было найдено место, через которое к ядру достаточно легко проникают излучения. И эта разница по величине дозы облучения примерно 20-кратная в сравнении с другими участками цитоплазмы. Ядро, отвечающее за жизнедеятельность клетки и содержащее в своём составе основную массу ДНК, повреждается даже небольшими дозами ионизирующих излучений, а хромосомные перестройки в повреждённом ядре служат наиболее ранним диагностическим показателем лучевого поражения.

Возникающие при облучении различные хромосомные нарушения являются одной из основных причин нарушения клеточного деления, чаще всего задержки митоза.

Следовательно, под воздействием ионизирующих излучений в живых организмах возникают как нарушения метаболизма и физиологических функций, так и генетические.

При высоких дозах облучения часть клеток полностью теряет способность к делению. При малых дозах деление задерживается на некоторое время, а затем может стать даже выше исходного. Такиим образом, реакция на облучение различных структурно-функциональных биологических систем не однозначна. В этой связи и введены понятия радиочувствительности и радиоустойчивости или радиорезистентности, которые мы рассмотрим ниже.