Фізико-хімічні механізми радіаційних пошкоджень

Згідно з загальноприйнятими концепціями радіаційного захисту (див. список літератури до розділу 10), існує декілька основних фізико-хімічних механізмів пошкоджень, що викликаються дією радіоактивних випромінювань на живі істоти.

Первинна стадія (умовно її можна назвати фізичною), пов’язана з іонізацією молекул води (нагадаємо ще раз, що в тілі людини на воду припадає приблизно від загальної ваги) відщеплюється електрон згідно з реакцією:

Н₂О ® (Н₂О)⁺ + е.

Цей процес в типових випадках триває дуже короткий час (t» 10^–16 c).

Наступна так звана фізико-хімічна стадія, яка триває приблизно протягом 1 мкс, характеризується декількома процесами (реакціями), а саме:

а) відщепленням протону від додатного іону Н₂О⁺

 

(Н₂О)⁺ ® Н⁺ + ОН,

б) приєднанням електрону до нейтральної молекули води з утворенням від’ємно зарядженого іона (Н₂О)^–, тобто

Н₂О + е ® (Н₂О)^–,

в) перетворення цього іона на атом водню і від’ємно заряджений іон (ОН)^–, тобто

(Н₂О)^– ® Н + (ОН)^–.

Таким чином, продуктами цих реакцій є утворення як заряджених (ОН)^– і Н⁺, так і нейтральних Н, ОН частинок. Слід зауважити, що протон Н⁺ та іон (ОН)^– не відіграють в наступному якої-небудь значної ролі, бо внаслідок дисоці­ації їх є досить багато в звичайній воді, тоді як нейтральні утворення – молекула водню Н і гідроксильна група ОН є вільними радикалами. Вони мають неспарений електрон і тому хімічно є дуже активними.

На цій стадії виникає ще й водневий пероксид Н₂О₂ за реакцією

ОН + ОН ® Н₂О₂,

який є дуже сильним окислювачем.

Після фізико-хімічної стадії наступає стадія, яку можна умовно назвати хімічною. Під час цієї стадії, яка триває типово декілька секунд, продукти реакцій, що отримані на попередній стадії, починають взаємодіяти з органічними молекулами в клітинах, можуть атакувати комплекси молекул в хромосомах тощо.

Таким чином, перші три стадії (фізична, фізико-хімічна та хімічна) по суті ще не викликають великих порушень в тканинах. Токсична дія випромінювання пов’язана з вто­рин­ними реакціями, при яких відбувається розрив зв’язку всередині складних органічних молекул. Вільні радикали та інші активні біохімічні продукти стають каталізаторами для вторинних реакцій вже біологічного порядку, які розви­ваються лавиноподібно по типу ланцюгової реакції і мо­жуть привести до стану організму, який називають проме­невою хворобою.

Всі ці процеси відбуваються на останній біологічній стадії, тривалість якої може змінюватися в дуже широких межах – від декількох хвилин до десятків років. Радіаційні пошкодження на біологічній стадії звичайно поділяють на такі два класи:

а) соматичні, що впливають лише на опромінену живу істоту (наприклад, людину),

б) спадкоємні, що передаються на репродуктивні орга­ни і переходять до наступних поколінь.

Біологічна стадія характеризується, таким чином, віддаленими впливами зазначених вище фізико-хімічних механізмів дії випромінювання на живі істоти, які пов’язані з сповільненням чи зупиненням процесів ділення клітин, що призводять до відповідних змін в клітинах наступних поколінь та до передчасної загибелі клітинної популяції і організму в цілому.

Слід зазначити, що іонізуюче випромінювання діє на всі біооб’єкти, починаючи з найпростіших вірусів та бактерій і закінчуючи такими найскладнішими, як людина. Вивчення радіочутливості біооб’єкта, тобто його сприйнятливості до дії різних видів іонізуючого випромінювання, довело, що ця дія відбувається на всіх рівнях організації живих істот – молекулярному, клітинному та організменному.

Найважливіші біологічні макромолекули – білки, нуклеїнові кислоти, ферменти тощо – під дією іонізуючого випромінювання втрачають свою біологічну активність (гармональну, ферментативну та інші), в них відбувається деполімеризація або, навпаки, виникають нові хімічні утворення. В клітинах навіть руйнується процес ділення, що може інколи відбуватися при D_погл ³ 3–5 рад. Доведено, що найбільш радіочутливою частиною клітин є його ядро. Загибель клітин внаслідок опромінення ядра відбувається при дозах, які в десятки та сотні разів менші за ті дози, що приводять до загибелі цих клітин при опроміненні їх цитоплазми. Разом з тим було експериментально встанов­лено, що заміна цитоплазми опроміненої клітини на цитоплазму неопромінених відновлює властивість клітини до подальшого ділення.

Важливим результатом подібних радіаційних експери­мен­тів було встановлення того принципового факту, що загибель живих організмів відбувається внаслідок одночас­ного ураження багатьох клітин і тканин. Внаслідок цього ураження порушується загальна регуляція життєво важли­вих процесів, що відбуваються у кістковому мозку, лімфа­тичній системі, кишковому тракті, статевих залозах та інших системах організму людини і тварини.

На мал. 10.14 наведена так звана крива виживання, яка характеризує залеж­ність кількості особів (людей, тварин), що виживають при опро­міненні, від погли­ну­тої дози.

Більш точно, від­да­лені впливи дії раді­ації поділяють на ран­ні та пізні ефекти. Для характеристики ранніх радіацій­них ефектів часто вводять так звану “летальну дозу” ЛД _50/30. Це така доза, яка є летальною для 50% опромінених об’єктів певної популяції через 30 діб після опромінення. Для людської популяції летальна поглинута доза ЛД _50/30 становить від 3 до 8 Гр або 300–800 рад при загальному опроміненні тіла рентгенівсь­кими променями. При поглинутій дозі D_погл < 1 Гр = 100 рад ймовірність смерті є дуже малою, тоді як при поглинутій дозі D_погл > 8 Гр = 800 рад ймовірність вижити є вже дуже малою.

При поглинутих дозах порядка 10 Гр (1000 рад) смерть настає від пошкодження білих кров’яних клітин (в основному – лімфоцитів). Ці формені елементи крові зви­чай­но забезпечують захист від інфекцій. При їх загибелі під дією великих доз радіації опромінена людина не може протистояти будь-яким інфекціям, які стають смертельно небезпечними. Ризик смерті при D_погл» 10 Гр зменшується, якщо пацієнт утримується в стерильному приміщенні і йому робиться пересадка спинного мозку для стимуляції появи додаткових білих кров’яних клітин. Без подібних заходів смерть опроміненої людини настає через 3–5 діб, якщо
D_погл > 10 Гр = 1000 рад.

При значно більших поглинутих дозах радіації
(D_погл» 100 Гр), відбувається катастрофічна загибель клітин шлунково-кишкового тракту, а при ще більших дозах гинуть клітини центральної нервової системи. Слід однак зазначити, що в експериментах на тваринах смерть не наступала миттєво навіть при 500 Гр.

Щодо пізніх радіаційних ефектів, то одним з найбільш небезпечних проявів дії радіації є рак. Основний механізм появи цього смертельно небезпечного захворювання пов’я­за­ний з руйнуванням системи контролю ділення клітин. Наслідком стає більш швидкий процес ділення опромінених клітин у порівнянні з швидкістю цього процесу в неопро­мінених (нормальних) клітинах. Такий процес прискореного ділення клітин зветься, як відомо, проліферацією клітин. Ефект проліферації передається у спадщину дочірнім клітинам, внаслідок чого можуть з’являтися злоякісні пухлини. Між часом опромінення людини і знаходженням у неї ракового захворювання може пройти досить великий (до 30 років) проміжок часу – так званий “латентний період”.

На жаль, не існує порогової дози, нижче якої немає ризику захворіти раком. Разом з тим немає прямих підтверджень того факту, що будь-які малі дози радіації здатні викликати рак. Це досить незвичайне, на перший погляд, протиріччя можна пояснити наступними експери­менталь­ними даними, наведеними англійськими радіоло­гами Торном і Веннартом.

Нехай є людська популяція, що включає в себе мільйон людей. Тоді виявляється, що при еквівалентній дозі радіаційного випромінювання в 1 мілізіверт (D_екв = 1 мЗв), яку отримала кожна людина, загальна кількість випадків захворювання раком будь-яких органів і тканин складає: у чоловіків – 10.5 випадків, у жінок – 15.5 випадків. Різниця в 5 випадків пов’язана з захворюваннями жінок на рак молочної залози (більш докладні дані див. в табл. 10.2). Цікавим є той факт, що добуток кількості людей N в групі на еквівалентну дозу D_екв (це так звана популяційна еквівалентна доза) залишається величиною сталою, тобто N × D_екв = сonst. Іншими словами, така ж кількість чоловіків (всього їх буде 10–11) або жінок (їх буде 15–16) захворіє на рак будь-якої форми при умові, що буде взята група не в мільйон, а в тисячу людей, якщо еквівалентна доза стане не 1 мЗв, а 1 Зв. Такий самий результат буде мати місце і для
N = 10⁹ людей при D_екв = 10^–6 Зв.

Таблиця 10.2.

Тип (локалізація) раку	Кількість випадків на 106 людей при Dекв = 10–3 Зв
ч о л о в і к и	ж і н к и
Саркома кісток	0.5	0.5
Рак щитовидної залози	1.0	1.0
Рак печінки	1.0	1.0
Рак легенів	2.0	2.0
Рак крові (лейкемія)	3.0	3.0
Рак грудної залози	–	5.0
Раки інших локалізацій	3.0	3.0
В С Ь О Г О	10.5	15.5