Занятие 6. Основы биологического действия ионизирующих излучений. Острая лучевая болезнь от внешнего равномерного облучения

ЗАНЯТИЕ 6. ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. ОСТРАЯ ЛУЧЕВАЯ БОЛЕЗНЬ ОТ ВНЕШНЕГО РАВНОМЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Виды ионизирующих излучений

1. Электромагнитные излучения (ЭМИ):

· Рентгеновское

· Гамма-излучение

2. Корпускулярные излучения:

· Альфа-излучение (ядра атомов гелия)

· Бета-излучение (электроны)

· Нейтронное

· Протонное

Факторы, определяющие биологический эффект

Ионизирующих излучений (ИИ)

 

1. Проникающая способность (глубина проникновения в биоматериал). Высока у ЭМИ и нейтронов (особенно, «быстрых»). Низкая у альфа-излучений (микроны) и бета-излучений (1-2 см) – вызывает местные лучевые поражения.

2. Количество поглощенной энергии, измеряется в дж/кг (или Гр - грей, зиверт), 1 Гр=100 рад.

3. Плотность ионизации – количество событий ионизации атомов и молекул вдоль трека частицы. Выделяют редкоионизирующие и плотноионизирующие излучения. Плотноионизирующие излучения при равной поглощенной дозе обладают большей биологической эффективностью вследствие усиления лучевого поражения клеток и тканей организма и снижения их способности к пострадиационному восстановлению.

4. Радиочувствительность тканей – прямо пропорциональна пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцировки ее клеток (закон Бергонье-Трибондо). Ткани в порядке убывания радиочувствительности: лимфоидная – миелоидная – герминативный, кишечный и покровный эпителий – мышечная – нервная- хрящевая – костная.

 

Биологическое действие ИИ

 

Биологическое действие ионизирующих излучений обусловлено энергией, отдаваемой излучениями разных видов (альфа, бета-частицами, нейтронами, гамма-квантами) тканям и органам.

Несмотря на неодинаковую физическую природу различных видов ионизирующих излучений, существует определенная общность их биологического действия, обусловленная их ионизирующим действием на биосубстраты.

Различают два вида радиобиологических эффектов: детерминированные (нестохастические) и стохастические.

1. Детерминированные - клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующими излучениями, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше – тяжесть эффекта зависит от полученной дозы. Клиническая медицина к таким эффектам относит: лучевую болезнь, лучевой дерматит, лучевую катаракту, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.

2. Стохастические радиобиологические эффекты – вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующими излучениями, не имеющие дозового порога возникновения и для которых тяжесть проявления не зависит от дозы. Клинически беспороговые эффекты диагностируются как злокачественные опухоли, лейкозы, а также наследственные болезни.

Кроме того, рассматривают соматические и наследственные радиобиологические эффекты. Соматические эффекты проявляются у самого облученного лица, а наследственные – у его потомков.

При стохастическом эффекте основным отдаленным соматическим эффектом является повышенная частота развития у облученного населения раковых заболеваний, появление которых будет происходить в течение нескольких десятилетий (первые 50 лет) после облучения. Стохастические наследственные эффекты появляются вследствие облучения гонад у лиц репродуктивного возраста.

Прямое действие.

При воздействии ИИ на биосубстрат происходит поглощение последним энергии излучения. Это приводит к ионизации атомов и молекул (то есть, потере атомом электрона, оставшаяся часть атома приобретает положительный заряд) или к возбуждению атомов, молекул (переход электрона на более высокий энергетический уровень в пределах атома).

Образовавшиеся в результате ионизации атомов ионы и свободные электроны взаимодействуют между собой и с окружающими неповрежденными атомами и молекулами, образуя при этом свободные радикалы.

 

Непрямое действие (через воздействие на биосубстрат образовавшихся свободных радикалов).

1. Радиолиз воды с образованием гидроксильного радикала (ОН), радикала водорода (Н), гидратированного электрона, перекиси водорода (Н₂О₂), гидропероксида (НО₂), супероксид-анион-радикала (О₂), атомарного и синглетного кислорода. Продукты радиолиза воды обладают сильным окислительным действием в отношении органических веществ биотканей.

2. Радиолиз молекул основных биологически важных органических веществ клетки (ДНК, нуклеотидов, аминокислот, белков, углеводов, фосфолипидов и др.) с образованием органических радикалов, обладающих повреждающим действием на ткани. В присутствии кислорода органические радикалы вступают с ним во взаимодействие. Высокое сродство кислорода к органическим радикалам лежит в основе так называемого «кислородного эффекта», суть которого состоит в усилении радиационного повреждения белков, ДНК и других биомолекул в присутствии кислорода.

Продукты радиолиза воды, активные формы кислорода и органические радикалы, в свою очередь, способны изменять структуру биологически важных макромолекул с нарушением их функции. Наибольшее значение для дальнейшей судьбы облученной клетки имеют процессы, происходящие в белках, ДНК и фосфолипидах.

- Нарушается структура белков (разрывы дисульфидных мостиков, водородных связей, пептидной цепи, окисление сульфгидрильных групп и т.д.). В результате изменяется вторичная и третичная структура белков, что приводит к нарушению их биологических свойств, в том числе ферментативной активности.

- Радиационные повреждения ДНК проявляются в виде нарушений структуры азотистых оснований, появлений разрывов ДНК, сшивок ДНК-ДНК и ДНК-белок, нарушений комплексов ДНК с другими молекулами. В повреждении ДНК велика роль «кислородного эффекта». В присутствии кислорода число повреждений оснований ДНК увеличивается более чем в 3 раза. В результате повреждается генетический аппарат клеток, возникают хромосомные аберрации, нарушаются процессы деления и воспроизведения.

- Разрушение фосфолипидов липидного бислоя клеточных мембран, усиление реакций перекисного окисления липидов (ПОЛ) способствует нарушению структуры и функции мембран клеток и внутриклеточных структур (митохондрий, лизосом, ядер др.), их вязкости, проницаемости, многих физико-химических характеристик. В результате нарушаются ряд жизненно необходимых для клетки функций биомембран – барьерная, рецепторно-сигнальная, регуляторная, транспортная и др.

Таким образом, многочисленные структурные и функциональные изменения в субклеточных структурах обуславливают нарушение процессов окислительного фосфорилирования. что ведет к истощению энергетических ресурсов клеток; выход и активацию гидролитических ферментов лизосом, угнетение синтеза ДНК и деления клеток, извращение ионного транспорта и др.

Многочисленные повреждения макромолекул и функциональные нарушения существенно влияют на жизнеспособность облученных клеток и тканей организма, на течение процессов их повреждения и репарации.

При высоких дозах облучения из-за расстройства метаболизма гибнет большое число клеток. Возникают морфологические и функциональные изменения в тканях, органах и системах. Это приводит к развитию общего заболевания организма.

Завершением стадии биологических реакций (у людей, перенесших острую стадию заболевания) являются отдаленные последствия (соматические и генетические) и раннее старение организма.

Формирование общего лучевого поражения начинается с молекулярного уровня, проходит клеточный, тканевой, органный, системный уровни и заканчивается уровнем целостного организма.

Как известно, тяжесть и прогноз лучевого поражения организма определяются, с одной стороны, величиной поглощенной дозы ионизирующего излучения, ее распределением в пространстве и времени, с другой – радиочувствительностью тканей, органов и систем, наиболее существенных для жизнедеятельности организма. Такие ткани, органы и системы принято называть «критическими», поскольку именно их повреждение определяет преимущественный тип лучевых реакций, специфику и время их проявлений, а также значимость для выживания или гибели организма в определенные сроки после облучения.

Различные формы лучевого поражения обусловлены степенью повреждения той или иной «критической» системы. Так, при облучении человека в дозах до 10 Гр гибель обусловлена повреждением системы кроветворения, 10-80 Гр – поражением желудочно-кишечного тракта, при облучении в дозах свыше 80 Гр гибель наступает в первые часы после воздействия от нарушения функции ЦНС.

 

Клинические формы острой лучевой болезни (ОЛБ) от внешнего облучения

 

1. Костномозговая (при поглощенной дозе1-10 Гр), разделяется по степени тяжести:

- легкая (1-2 Гр)

- средняя (2-4 Гр)

- тяжелая (4-6 Гр)

- крайне-тяжелая (6-10 Гр)

2. Кишечная (10-20 Гр)

3. Сосудисто-токсемическая (20-80 Гр)

4. Церебральная (свыше 80 Гр)

 

Периоды ОЛБ

1. Начальный (первичная реакция).

2. Скрытый (мнимого благополучия)

3. Разгара

4. Восстановления

 

Выраженность клинических проявлений зависит от степени тяжести ОЛБ. Выраженность и продолжительность периодов ОЛБ при разных формах и степени тяжести лучевой болезни неодинакова. Наиболее отчетливой периодизацией течения характеризуется костномозговая форма ОЛБ средней и тяжелой степеней.

Так, при легкой степени костномозговой формы наблюдаются незначительные изменения периферической крови и определяются астенические явления. Выздоровление, как правило, может наступить без лечения.

При средней степени более выражена первичная реакция, в периоде разгара развиваются геморрагический, астенический синдромы, инфекционные осложнения.

При ОЛБ тяжелой степени резко выражена первичная реакция, короткий скрытый период. В периоде разгара выражены токсемия, геморрагический синдром, тяжелые инфекционные осложнения. Смертельный исход возможен с 3 недели.

Крайне тяжелая степень костно-мозговой формы ОЛБ характеризуется крайне выраженным проявлением всех клинических симптомов. В основе ее патогенеза лежит депрессия гемопоэза, но в клинической картине существенное место занимает поражение желудочно-кишечного тракта.

Клиника

 

Напоминает клиническую картину ОЛБ 4 степени + диарея, резчайшая мышечная слабость, головокружение. Нарастают признаки обезвоживания, выраженные кардиоваскулярные расстройства. С 4-5 дня развивается оро-фарингеальный синдром.

Агранулоцитоз развивается на 3-7 день, с 3-го дня исчезают в крови лимфоциты, на 4-5 день – аплазия костного мозга.

Смерть наступает на 2-ой, начале 3-й недели.

 

Сосудисто-токсемическая форма ОЛБ (20-80 Гр)

 

Наступает парез и повышение проницаемости сосудов вследствие:

1. общей интоксикации из-за:

- первичные и вторичные радиотоксины;

- радиационный распад тканей;

- эндотоксины кишечной микрофлоры.

2. массивного выброса биологически активных веществ (катехоламинов, серотонина, гистамина, кининов, простогландинов).

В результате возникают выраженные расстройства микроциркуляции, повышается проницаемость гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), что ведет к гипоксии, отеку и набуханию головного мозга. Это приводит к значительным нарушениям гемодинамики и дыхания.

В клинической картине: прогрессирующая гипотензия, коллапс, олигоанурия, сопор, кома. Агранулоцитоз развивается на 2-3 сутки, в эти же сроки исчезают лимфоциты, тромбоциты.

Смерть наступает на 4-8 сутки.

 

Церебральная форма ОЛБ (свыше 80 Гр)

 

Развивается в том случае, если воздействию ИИ подвергается непосредственно головной мозг.

Имеет место синдром ранней преходящей недееспособности (РПН), который может возникать при дозах 30-50 Гр. Пусковым механизмом церебрального лучевого синдрома являются:

- угнетение процессов окислительного фосфорилирования в нейронах;

- расстройства гемо- и ликвородинамики в головном мозге, повышение проницаемости ГЭБ, отек и набухание нейронов.

Клиническая картина та жа, что при менее тяжелых формах + РПН – временная, на 20-30 минут потеря сознания (острое нарушение функции ЦНС). В дальнейшем – психомоторное возбуждение, дезориентация, судороги, коллапс, сопор, кома.

В первые часы после облучения отмечается выраженный лейкоцитоз (20-30 х 10⁹/л), на 1-2 сутки развивается агранулоцитоз.

Смерть от паралича дыхания наступает в первые часы, максимум на 2-3 сутки.

Диагностика

Диагностика радиационных поражений имеет своей целью установление дозы облучения и степени их тяжести. Она основывается на:

- оценке анамнестических сведений;

- результатах физической дозиметрии;

- показателях биологической дозиметрии, то есть клинической картине заболевания, гематологических и некоторых биохимических сдвигах.

 

При установлении диагноза необходимо учитывать следующее:

1. Характер и тяжесть поражения зависят от:

- суммарной поглощенной дозы облучения;

- равномерности распределения дозы;

- продолжительности облучения;

- кратности воздействия.

2. Развитие заболевания характеризуется определенной периодизацией, при этом выраженность и длительность начального и скрытого периодов в наибольшей степени зависят от дозы облучения.

3. Для каждого интервала дозовой нагрузки характерно возникновение синдромных проявлений, обусловленных поражением тех или иных критических систем:

- гематологический синдром;

- гастроинтестинальный синдром;

- синдром токсемии;

- синдром поражения нервной системы.

4. Клиническая картина заболевания определяется дозой облучения, поглощенной отдельными органами и тканями.

 

Диагноз церебральной, сосудисто-токсемической и кишечной формы заболевания может быть установлен на основании только клинических проявлений, весьма характерных для той или иной формы (гастроинтестинальный синдром – для кишечной, синдром острых кардиоваскулярных расстройств и тяжелой токсемии – для сосудисто-токсемической и синдром ранних неврологических нарушений – для церебральной формы).

Достаточно характерной является клиническая картина начального периода костномозговой формы ОЛБ IV степени: неукротимая рвота, при отсутствии характерного для кишечной формы поноса, выраженная адинамия, первичная эритема, иктеричность склер, повышение температуры тела.

Дифференциальная диагностика ОЛБ 4 степени и кишечной формы: при кишечной форме возникает диарея. В то же время при костномозговой форме ОЛБ в первом периоде может быть диарея в следующих случаях:

- при нейтронном облучении;

- при неравномерном гамма-облучении с преимущественным поражением брюшного сегмента;

- при сочетанном поражении (инкорпорация РВ перорально).

Наибольшие трудности возникают в диагностике костномозговой формы ОЛБ I-III степени, особенно в начальном и скрытом периодах. С этой целью используют методы физической и биологической дозиметрии.

Физическая дозиметрия предусматривает использование групповых и индивидуальных дозиметров. Для определения поглощенной дозы в радах на основе показаний дозиметра в рентгена следует учитывать что 1 рад (0,01 Гр) составляет 0,6 Р при одностороннем и 0,9 Р при многостороннем облучении на следе радиоактивного облака. Этот вид дозиметрии дает лишь ориентировочное представление степени и характере облучения.

Для оценки нейтронного облучения используют прямое определение активности тела человека на гамма-счетчике с измерением уровня активности ²⁴Na.

К современным методам физической дозиметрии относятся методы:

· радиолюминесценции

· электронного парамагнитного резонанса

Биологические показатели облучения представлены следующим (по убывающей степени их информативности):

· Хромосомный анализ (исследование хромосомного аппарата клеток костного мозга в первые двое суток после облучения, а в последующем – определение частоты хромосомных аберраций в лимфоцитах периферической крови). Изменения хромосомного аппарата костного мозга и крови имеют линейную зависимость от дозы облучения. Через 24-48 ч после облучения число хромосомных аберраций составляет 20% при дозе 1 Гр и 100% при дозе 5 Гр. Через 5-6 дней клетки с хромосомными аберрациями перестают обнаруживаться в костном мозге, так как они становятся нежизнеспособными. Кариологический анализ культуры лимфоцитов позволяет судить об облучении в течение длительного времени, прошедшего после поражения (даже через несколько лет). Эти методы являются очень сложными и доступны лишь в специализированных стационарах.

· Гематологические исследования с подсчетом числа лимфоцитов на 3-4 сутки, гранулоцитов на 7-9 сутки, ретикулоцитов на 4 сутки, тромбоцитов на 20-22 сутки.

ЗАНЯТИЕ 6. ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. ОСТРАЯ ЛУЧЕВАЯ БОЛЕЗНЬ ОТ ВНЕШНЕГО РАВНОМЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Виды ионизирующих излучений

1. Электромагнитные излучения (ЭМИ):

· Рентгеновское

· Гамма-излучение

2. Корпускулярные излучения:

· Альфа-излучение (ядра атомов гелия)

· Бета-излучение (электроны)

· Нейтронное

· Протонное