Биологично действие

Йонизиращите лъчения въздействат по различен начин върху живата и неживата материя. Основната физична величина, която характеризира взаимодействието на радиацията с веществото е предадената енергия на единица маса от това вещество. Ако за неживата материя това е достатъчно за оценка на въздейcтвието, то за живата клетка това е само начало на редица сложни процеси, които все още не са намерили пълно научно обяснение. Съществуващите теории обясняват само някои случаи на облъчване с високоинтензивни ЙЛ.

Как въздействат ЙЛ върху живата материя?

Въпреки натрупания огромен експериментален и клиничен материал, все още не е възможно да се даде изчерпателен отговор на този въпрос. Има няколко теории за обясняване механизма на биологичното увреждане..

Трудността на този проблем се корени в обстоятелството, че фактически имаме среща на един чисто физически агент (йонизираща радиация) със сложна биологична среда (живия организъм). А както е известно, живият организъм и по-специално човекът се отличава с висока реактивност, обусловена от неговите многостранни функции и сложни обменни процеси, и преди всичко от регулиращата функция на нервната система.

Етапи на биологично действие на ЙЛ.

Известно е, че радиацията има свойството да йонизира атомите и молекулите на средата. Такава йонизация радиацията причинява и в живата среда и това именно е началният тласък към нейното болестотворно действие. Живият организъм е богат на течна среда (около 70% от общото тегло). Когато йонизиращите лъчения се погълнат от организма, те отдават постепенно енергията си при редица физически ефекти и сложни биохимични реакции. Под действие на радиацията водата в организма се разлага, в

езултат на което се образуват силно химични активни радикали като Н⁺, ОН^- , Н₂О_2, НО₂:

и др. Водата е основната среда, в която и чрез която се пренася енергията, необходима за жизнената дейност. Посочените химични радикали се образуват при действието на радиацията във водна фаза на колоидите на клетките и тъканите. Основната част от енергията на радиацията, погълната от облъчената жива материя, се превръща в химична енергия на тези кратко живеещи радикали главно по следната схема:

Н₂О + е^- ОН^- + Н⁺

В присъствие на кислород атомният водород образува НО₂:

Н + О₂ НО₂
Голяма част от образуваните при разлагането на водата радикали предизвикват незабавно разграждане на високомолекулните структури в клетката. В това отношение особено силно се засягат нуклео - и гликопротеидите. Наблюдава се разпадане на молекулите и разкъсване на макромолекулните връзки, което води до разрушаване на сложни биологични вещества. В делящите се клетки се появява ДНК в свободно състояние, което не е нормално. Нарушава се енергийният баланс на синтетичните обменни процеси.

Тези първични изменения, към които може да се добави и прякото действие на радиацията върху разтворените във водата вещества, се съчетават и с физиологичния ефект на нервните и други реакции на организма, които довеждат до вторични изменения. Намалява се способността на клетките да се приспособяват към изменящите се условия на средата.

Първичните биохимични изменения причиняват повсеместно раздразване на крайните нервни окончания, нарушава се функцията на нервната система. Поради промени в регулиращите функции на нервната система се нарушават предимно белтъчната, въглехидратната и липоидната обмяна, в резултат на което се образуват нискомолекулни токсични вещества. Образуването и натрупването на тези продукти в организма има верижен характер, което до известна степен обяснява защо острата лъчева болест при своето развитие преминава през ясно определени периоди със скрити признаци.

С този токсичен компонент при развитие на острата лъчева болест, който е напълно изяснен, не може да се обяснят всички прояви на болестта. Има и други фактори, които оказват влияние. Йонизиращата радиация силно уврежда дейността на кръвотворния апарат, който престава да произвежда така важните за живота кръвни клетки. Наред с това стените на кръвоносните съдове и всички клетъчни мембрани стават нееластични и пропускливи. Това обяснява голямата склонност на лъчево болните към кръвоизливи от най-различен характер. Това е вторият важен момент в развитието на лъчевата болест.

Измененията на високоорганизираните биологични обекти под въздействието на йонизиращата радиация се развиват в две основни направления: структурни изменения: от прякото действие на радиацията върху живата тъкан и разстройства поради поражения на регулиращите механизми. Локалните изменения, получени в определени органи и тъкани по нервен и лимфен път, разпростират своето действие върху целия организъм. Крайните нервни окончания, чрез които се възприемат дразненията от външната среда под въздействие на радиацията, променят микроструктурата и по този начин вместо нормални

импулси, изпращат болестни импулси към централната нервна система. От своя страня тя също претърпява лъчево въздействие. Известно е, че нервните клетки са крайно чувствителни на действието на радиацията дори при малки дози. Това се отразява на

ялостната дейност на нервната система, от която отпадат извънредно важни регулиращи функции.

Много важен е въпросът за различната радиочувствителност на биологичните тъкани. Под радиочувствителност се разбира силата на реакцията на различните клетки и тъкани срещу въздействието на радиацията и степента на тяхното увреждане. Едно е ясно, че се намесват много фактори реактивната способност на биохимичните елементи на клетките, концентрацията в тях на кислород и на естествени антиокислители(особено биолипиди), интензивността на обменните процеси и др. Радиобиологичната наука и практика потвърдиха, че чувствителността на тъканите към облъчването с йонизиращи лъчения е право пропорционална на развиващите се в тъканите процеси на клетъчно делене и е обратно пропорционална на степента на диференциацията им. Биологичните реакции и степента на увреждането на животинските организми при облъчване с радиация зависят от нивото на еволюционното развитие на даден клас животни. Колкото е по-сложна тяхната организация, толкова по-голяма е тяхната радиочувствителност. Така например за бактериите, дозата при която умират половината от облъчените (LD ₅₀) е 5 000 Sv, за насекомите тя е 500 Sv , а за млекопитаещите, в това число и за човека е средно около 5 Sv. Това е свързано с голямата чувствителност на жизненоважните тъкани у млекопитаещите, като кръвотворен апарат, епителна повърхност на червата и др.

Радиочувствителността зависи от: скоростта на делене на клетките в биологичната тъкан, активността на обменните процеси в тъканите и органите, степента на диференциация на клетките степента на организация на индивида (изменя се в зависимост от моментните изменения в тъканите и клетките и особено в зависимост от действието на външни фактори като температура, концентрация на кислород, съдържание на вода и др.) Към излъчването са най-чувствителни онези клетки, които в момента на облъчването се намират в повишена функция, особено в периода на синтез на ДНК. До голяма степен радиочувствителността се определя от плътността на линейната йонизация, погълнатата доза, мощността на дозата.

За разбиране на природата и механизма на биологичното действие на проникващата радиация е необходимо преди всичко да се проследят тези първоначални физикохимични и биологични премествания и изменения, които възникват в облъчения организъм. Важно е да се установи ролята им в следващи реакции на организма към облъчването, да се определи последователността и причинната връзка на тези изменения в строежа на веществата и в обменните процеси, които съединяват началният акт на въздействие на лъчевата енергия с

крайния резултат биологичната реакция на организма.

Етапите на биологичното действие на ЙЛ са следните:

- физически енергията на лъчението се предава на веществата, влизащи в състава на биологичните обекти като предизвиква възбуждане и йонизация на молекулите им. Получените първични продукти са изключително неустойчиви. Спонтанно или при сблъсък с различни молекулни структури образуват химични активни центрове, свободни радикали, йони и др.;

- физико-химични състои се от една реакция или верига от последователни реакции, които не се наблюдават в други области на физиката или химията.;

- химически получените при първия етап химично активни радикали и йони взаимодействат с различни биомолекули, разкъсват химични връзки на органични съединения и се образуват несвойствени за организма съединения;

- биологичен - химичните изменения на молекулите се преобразуват в клетъчни изменения, които могат да доведат до редица нарушения на органи, системи, организма като цяло,т.е. резултатът е наблюдаем биологичен ефект.

Биологичните ефекти биват остри и хронични.

• 
  при детерминистичните зависимостта доза- ефект има прагов характер (локални лъчеви увреждания, хронична и остра лъчева болест);
  
• 
  стохастични вероятността за проявата им е право пропорционална на дозата, а тежестта им зависи от дозата (соматични, генетични и някои ефекти от облъчването преди раждането).
  

Фиг.4 Етапи на биологично действие на ЙЛ

Физическите основи на биологичното действие на ЙЛ, т.е. механизмът на предаване на енергията от лъчението на биологичната тъкан са твърде сложни. За изучаване на биологичните процеси при действие на радиацията са важни следните нейни свойства:

1.На всички видове лъчения алфа, бета и гама е присъща йонизационна способност, т.е. образуване на двойки йони електрически заредени, химически активни частици от едно или друго вещество.

Тази йонизация се осъществява в твърди, течни и газообразни тела, на които въздейства лъчението. При това, общият механизъм на увреждане се свежда до избиване на електрони от молекулите на облъчваното съединение. Освен това проникващата радиация е способна да повиши в облъчените системи количеството възбудени или реактивно способни молекули дори без йонизацията им. Дадена молекула, поглъщайки например рентгенови лъчи, преминава във възбудено състояние и загубвайки или присъединявайки електрон се превръща в йон.

Следва да се отбележи, че първичните радиохимични процеси възникват в тъканите само на траекторията, на пътя на вторичните електрони и в местата на поглъщане на гама-квантите.

Способността да предизвикват йонизация количествено не е еднаква при различните лъчения. При алфа-частиците тя е 10 20 пъти по-голяма, отколкото при гама-лъчите.

2. На всички видове лъчения също в определена степен е присъща проникваща способност. При това алфа-частиците могат да проникнат в неголяма дълбочина, техният пробег във въздух се изчислява в сантиметри, а в меките тъкани на живия организъм в микрони. При външно облъчване те не са опасни, защото се поглъщат от кожния епител. Те стават най-силно увреждащи при попадане в организма по силата на голямата си йонизационна способност.

Бета-частиците преминават във въздуха много сантиметри, а в меките тъкани проникват до сантиметри и повече.

Гама-лъчите и рентгеновите лъчи, преминавайки голям пробег във въздух (стотици метри), практически преминават през всички тъкани на човешкото тяло, оказвайки общо лъчево въздействие. При вътрешно облъчване този вид радиация е по-малко опасна.

Данните от радиационната химия са показали, че ЙЛ могат пряко или косвено да влияят на структурата на химичните вещества, да ги окисляват, възстановяват, деполимеризират, разрушават, да отцепват различни групи и др.

ЙЛ са способни също в незначителна степен да разрушават белтъчните молекули или да предизвикват денатурация на белтъка в целия жив организъм.

За разлика от другите физични и химични агенти, йонизиращата радиация не притежава резки коагулиращи действия на белтъчните тела в органите и тъканите. Изключение правят алфа-лъчите и протоните с висока енергия.

В Приложения 3 и 4 са дадени разпределението и постъпването на екологично значими радионуклиди в човешкия организъм и характеристиките им.

По-нататъшното развитие на поражението става в резултат на реакциите на химични активните продукти и завършва с изменение на биологично важните молекули. Те конкурират рекомбинацията на радикалите, до възбуждане на молекули, което води до процеси, възстановяващи изходното състояние.

Продължителността на повечето от процесите на този етап е мили секунди. Възможни са по-дълги реакции от верижен тип.

За целият организъм четвъртият етап е свързан с появата на симптоми на лъчева болест нарушаване на отделните корелации и структури. Той продължава от часове до десетки години, в зависимост от погълнатата доза, особеностите на организма и характера на нарушенията.

За характера на този период се въвежда величината LD_50/30. Това е доза, при която 50% от облъчените умират в продължение на 30 дни. При по-малки дози D<< LD_50/30 могат да се наблюдават биологични разрушения в клетките и организма едва дълго време след облъчването (сравнимо със средното време на живот) и то в органи, които са най-трудно възстановими. При D~ LD_50/30 в по-малко чувствителни органи по-кратък срок от дни до месеци, като има 50% вероятност за смърт. При D>> LD_50/30 количеството на първичните нарушения е толкова голямо, че се появяват нарушения във всички системи на клетките и организма, няколко часа след облъчването или по време на самото облъчване.