Относительная биологическая эффективность ионизирующего излучения

При описании физических основ биологического действия радиации упоминалось о том, что воздействие разными видами излучений, но в равных поглощённых дозах приводит к различным по величине эффектам. Это свойство излучения, часто называемое его качеством, определяется не столько физической природой излучения, сколько его ЛПЭ. Для количественной оценки качества излучения введено понятие относительной биологической эффективности {ОБЭ}.

ОБЭ оценивают сравнением дозы облучения, вызывающей определенный биологический эффекта, с дозой стандартного излучения, обусловливающей тот же эффект. Обычно в качестве стандартного излучения используют рентгеновское излучение с энергией 180—250 кэВ.

Значение (величину, коэффициент) ОБЭ вычисляют из отношения сравниваемых доз по формуле

ОБЭ = D _R / D _x,

Где D _R - доза рентгеновского излучения, D _x - доза изучаемого излучения; эффект сравнивают по общему критерию. В первом приближении можно считать, что при тщательном соблюдении экспериментальных условий сравниваемого эффекта ОБЭ зависит только от ЛПЭ.

Поэтому, например, протоны, дейтроны и α-частицы, ускоренные до высоких энергий (200 МэВ и более), имеют приблизительно такую же ОБЭ, как и рентгеновское излучение с энергией 200 кэВ, так как они характеризуются близкими значениями ЛПЭ. Те же виды излуче­ния, но с меньшими энергиями и соответственно с большей ЛПЭ, об­ладают и большей ОБЭ.

Увеличение ОБЭ с ростом ЛПЭ легко понять из данных рис. III.29, где схематически представлено распределение актов ионизации вдоль треков заряженных частиц различной природы и энергии в микрообъеме (от поражения которого зависит проявление регистрируемой реакции). Видно, что эффективный объем может совсем не поражаться при редко ионизирующих излучениях; с ростом ЛПЭ вероятность поражения увеличивается.

Рис. III.29. Отрезок траекторий различных заряженных частиц, дающий представление о распределении актов ионизации и возбуждения

Рис. III.30. Кривые выживания культу­ры клеток человека, подвергнутых облучению (по Дж. Барендсену

1968):

1-рентгеновское, 2 - нейтронное,3 - γ-нзлучение

На рис. III.30 представлены результаты облучения клеточных культур тремя разными видами ионизирующей радиации, резко различающимися по ЛПЭ: рентгеновским излучением 250 кэВ, нейтронами 15 МэВ и α-частицами. Их ЛПЭ увеличивается от 1.3 кэВ/мкм у рентгеновского излучения до 100 кэВ/мкм у α-частиц. По мере роста ЛПЭ увеличивается наклон кривых и уменьшается экстраполяционное число {сокращается плечо на начальном отрезке кривых}, достигая единицы при α-облучении.

Следовательно, с ростом ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их способность к восстановлению. Соотношение ЛПЭ и ОБЭ имеет максимум. Ощутимый рост ОБЭ начинается с ЛПЭ, равной 10 кэВ/мкм, достигает максимального значения при ЛПЭ - 100 кэВ/мкм, а с последующим увеличением ЛПЭ (рис III.31) круто падает. Причина этого явления состоит в том, что гибель клетки происходит после поглощения достаточного количества энергии в некотором критическом объеме. Естественно, что с ростом ЛПЭ такая вероятность увеличивается. Но после некоторых величин ЛПЭ наступает насыщение, и каждая последующая частица теряет энергию в уже убитой клетке; следовательно, эффективность излучений с такой достаточно высокой ЛПЭ падает, так как энергия расходуется вхолостую. (Подробное обсуждение рис. III.31 см. в следующем разделе.)

Это явление наглядно представлено на рис. III.32, где показано, что после оптимального значения ЛПЭ, когда наблюдается максимум пораженных единиц на единицу дозы (т.е. разменивается ровно столько энергии, сколько нужно для поражения всех мишеней), наступает эффект избыточного поражения (overkill).

Такова общая картина связи ОБЭ с ЛПЭ. В действительности она, однако, оказывается более сложной. В основном это объясняется тем, что обычно в расчет принимают средние величины ЛПЭ, но расчет ОБЭ по средней величине ЛПЭ - лишь глубокое приближение, при котором теряются детали пространственного распределения ионов. Особенно сильно это сказывается при нейтронном облучении, характеризующимся размытым спектром энергий, а, следовательно, и разбросом значений ЛПЭ.

Рис. III.31. Зависимость ОБЭ от ЛПЭ и величины дозы облучения. А - вы­живаемость культуры клеток человека (по Дж. Барендсену, 1968); Б - выживаемость клеток хлореллы (по Л. К. Векшиной, 1975):

1, 2, 3— результаты γ-облучения в разных дозах; объяснение см. в тексте

Рис. III.32. Эффект избыточного поражения, когда до­статочно двух попаданий в мишень (по Е. Холлу. 1973):

1 - низкие ЛПЭ, 2 - оптимальные ЛПЭ, 3 - высокие ЛПЭ («перепоражение»)

В последние годы усиленно развивается специальная область дозиметрии — микродозиметрия, построенная на знании специального математического аппарата и учитывающая связь микрораспределения ионизаций с различными клеточными эффектами и его отражение на кривых выживания при различных условиях облучения.

Величина ОБЭ зависит не только от вида излучения и его ЛПЭ, но и от исследуемого эффекта, а также от множества других факторов, перечислить которые, по существу, невозможно. Главные из них, которые всегда следует учитывать, — это величина и мощность дозы, до- и пострадиационные условия, режим фракционирования, наличие, дефицит или отсутствие кислорода.

На рис. III.33 представлен пример зависимости ОБЭ от регистрируемой реакции (и одновременно от ЛПЭ). Наибольший летальный эффект наблюдается при ЛПЭ, равной 100-150 кэВ/мкм, тогда как за­держка клеточного деления про­должает усиливаться и при даль­нейшем увеличении ЛПЭ, дости­гая максимума при 200 — 300 кэВ/мкм. Видно, что степень раз­личий абсолютных величин ОБЭ в зависимости от изучаемой реак­ции меняется при сравнении на разных уровнях ЛПЭ.

Рис. III.33. Зависимость ОБЭ от регистрируемой реакции и от ЛПЭ при облучении культуры фнбробластов ядрами Не, С, О и Аг с энергией 10 МэВ/нуклон (по Л. Скарсгарду, 1965);

1 — задержка деления, 2 — выживаемость

Весьма важна и практически значима зависимость ОБЭ от дозы и ее распределения во времени. Зависимость от дозы видна, например, на рис.III.31; кривые 1, 2 и 3 отражают соответственно 80, 10 и 1 % выживаемости клеток человека (А) и 90, 50 и 1% выживаемости клеток хлореллы (Б). Видно, что абсолютная величина ОБЭ не является постоянной, а зависит от степени поражения, снижаясь с ее увеличением. В данном случае при 80—90 %-ных уровнях выживаемости клеток почки человека или хлореллы ОБЭ составляет около 8, а при 10 — 1%-ной выживаемости — около 3.

На рис. III.34 изображены типичные кривые выживания клеток млекопитающих после рентгеновского и нейтронного облучения. При однократном облучении (рис. III.34, А) кривая, характеризующая действие рентгеновских лучей, имеет в начальном отрезке большое плечо, которое почти отсутствует на кривой, отражающей результат нейтронного облучения, но у последней несколько более крутой наклон конечного участка. В результате ОБЭ оказывается максимальной (3,0) при меньших дозах (в зоне плеча), уменьшаясь с ростом дозы до 1,5.

При фракционированном облучении, например четырехкратном (рис. III.34, Б), ОБЭ также растет по мере увеличения числа фракций. Это происходит потому, что при дроблении дозы рентгеновского облучения каждый раз жизнеспособность клеток частично восстанавливается, что почти не наблюдается при фракционированном облучении быстрыми нейтронами. В процессе увеличения числа фракций такая утрата эффективной дозы рентгеновского облучения нарастает. В результате при фракционированном облучении нейтронами и рентгеновским излучением различия в дозах выражены в значительно большей степени, чем при однократном. Сравнение доз, вызывающих выживание 0,01 клеток (рис. III.34, А, Б), позволяет заметить, что ОБЭ нейтронов при однократном облучении составляет 1,5, а при фракционированном - 2.6. Иными словами, один и тот же эффект может быть достигнут при фракционированном облучении нейтронами в относительно меньших суммарных дозах (по сравнению с суммарной дозой рентгеновского облучения), чем при однократном облучении. Это явление используют при терапии опухолей нейтронами и другими тяжелыми ядерными частицами, характеризующимися большой ЛПЭ.

Зависимость ОБЭ от распределения дозы во времени может быть выявлена не только при фракционированном облучении, но и при изменении мощности дозы. Так, в лаборатории Г. Ивенса в опытах на традесканции было показано, что быстрые нейтроны при пролонгированном облучении в течение нескольких минут в 10 раз эффективнее индуцировали выход хромосомных аберраций, чем γ-излучение. При пролонгированном облучении, продолжавшемся 49 ч, в той же суммарной дозе ОБЭ достигала 80.

Преимуществом использования плотноионизирующих излучений в лучевой терапии является повышение их ОБЭ в условиях дефицита кислорода, характерного для опухолей, а тем более в аноксии, за счет устранения защитного действия гипоксического фактора с повышением ЛПЭ (см. рис. 40). Это было отчетливо продемонстрировано цитогенетическими экспериментами А. Конжера и Г. Ивенса, показавшими на разных объектах, что ОБЭ быстрых нейтронов, оцененная по аберрациям хромосом в клетках асцитной карциномы Эрлиха и по образованию микроядер в клетках конских бобов, составила в аэробных условиях соответственно 2,5 и 10,5. а в анаэробных — 6 и 18.

Рис. III.34. Зависимость ОБЭ быстрых нейтронов от дозы облучения. А — при однократном облучении; Б — при фракциониро­ванном облучении (объяснение см. в тексте) (по Е. Холлу, 1971)

Поскольку ЛПЭ тесно связана с проникающей способностью ионизирующих излучений, корректная оценка ОБЭ может быть вы­полнена лишь с учетом особенностей распределения дозы в облучаемом объекте. Если это обязательное требование не выполняется, то неиз­бежна неправильная интерпретация результатов.

В качестве примера можно привести реальные данные, послужившие в свое время основанием для ошибочного заключения о наличии некоторых качественных специфических особенностей воздействия оп­ределенных видов радиации. Из данных табл. 6 можно сделать непра­вильный вывод об изменении радиочувствительности мышей и крыс в зависимости от вида излучения. Между тем причина такого наблюде­ния состоит в том, что при одностороннем рентгеновском облучении (как это происходило в данном случае) распределение энергии в теле мыши значительно более равномерно, чем у крысы, в костном мозге которой величина поглощенной дозы из-за этого относительно ниже. При γ-облучении большая проникающая способность γ-кватов ниве­лирует неоднородность распределения энергии, которую не учитывали должным образом при дозиметрии.

Наиболее точная оценка ОБЭ и ее зависимость от ЛПЭ могут быть получены лишь в случае, когда в качестве объекта облучения исполь­зуют изолированные клетки или другие мелкие объекты, в которых энергия излучения распределяется равномерно по всему объему.

Результаты многочисленных экспериментов, проведенных на более крупных животных, с очевидностью показали, что вычисление коэф­фициентов ОБЭ в большинстве случаев вообще теряет смысл, так как не может быть обеспечена адекватность условий опытов и, прежде всего равномерность распределения поглощенных доз в тканях для разных видов излучений.

Таблица 6. ОБЭ для животных разных видов

Весьма показательны результаты исследований С. Риксфорда-Вильха, изучавшего последствия локального облучения глаза обезьян протонами с энергиями 14, 40, 137 и 730 мэВ в диапазоне доз 1,25—40 Гр. Протоны с энергией 14 и 40 МэВ поглощаются соответственно в передней камере глаза и в стекловидном теле; протоны больших энергий проникают в головной мозг. Такой характер распределения поглощенной дозы обусловил и соответствующую клиническую картину поражения по ходу пучка: эритему кожи век, иридоциклит, кератит, эпиляцию, катаракту, повреждение вещества мозга.

В подобных случаях отношение доз, вызывающих одинаковое действие, правильнее называть не ОБЭ, а отношением равных эффектов независимо от механизма их образования.

Комитет по ОБЭ Международной комиссии по радиологическим единицам и измерениям предложил оставить концепцию только в случаях, когда могут быть строго учтены все условия эксперимента, а различия в биологическом действии сравниваемых видов излучения определяются лишь свойствами последних.

Во всех остальных случаях знание величины поглощенной дозы еще недостаточно для точного предсказания ни степени тяжести, ни вероятности возникновения эффектов поражения. Поэтому, например, для целей радиационной защиты введена так называемая эквивалентная доза, которая лучше коррелирует с возможными неблагоприятными последствиями профессионального облучения.

Что такое ОБЭ и каковы методы ее оценки?

Как связана ОБЭ с ЛПЭ?

Какие факторы, кроме ЛПЭ, влияют на величину ОБЭ?

В чем состоят ограничения при оценке ОБЭ?

Что понимают под хронической лучевой болезнью?

Изложите классификацию степеней лучевой болезни в зависимости от дозы облучения и ее распределения во времени.

Чем определяется прогноз поражения?

Глупцы, довольствуются тем, что видят смысл во всяком слове.

И.В.Гете.

Разгадка основного радиобиологического парадокса - критерий правильной теории. Ко­личественные и качественные подходы к проблеме. Класси­ческий формализм — теория мишени и принцип попаданий. Жизнь и лучевое поражение как вероятностные категории. Стохастический принцип. Ра­диотоксины. Структурно-мета­болическая гипотеза. Новые яв­ления и судьба гипотез.