Рис. 4.1. Клетка живой ткани: М – мембрана; С – цитоплазма; G – органеллы; F – хромосомы, содержащие ДНК; N – ядро |
Роль поражения клеточного ядра в биологическом действии ионизирующего излучения была выявлена более ста лет тому назад. В результате интенсивных экспериментальных исследований биологического действия ионизирующего излучения уже в 1903 г. было установлено, что основную роль в радиочувствительности клетки играет поражение ее ядра, а через год, в 1904 г., был сформулирован фундаментальный закон: чувствительность клеток к воздействию ионизирующего излучениятем сильнее, чем выше репродуктивная активность клеток и чем ниже степень дифференциации клетки[36] в соответствии с ее морфологией и функцией. По имени авторов, французских радиобиологов, этот закон называют правилом Бергонье и Трибондо[37]. Таким образом, один из главных выводов радиобиологии состоит в том, что быстро делящиеся клетки более чувствительны к облучению, чем клетки зрелых тканей, редко делящиеся или полностью дифференцированные и утратившие способность к делению.
Исследование структуры клеточного ядра и открытие в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры материального носителя клеточной наследственности – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) позволило создать более или менее определенную картину биологического действия ионизирующего излучения. Двойная спираль ДНК является важнейшей макромолекулой клетки. От ее целостности зависит дальнейшая судьба клетки – закодированная в ДНК информация необходима для воспроизводства клетки (ее деления) и, следовательно, для сохранения целостности и функции биологической ткани. Ионизирующее излучение, подобно другим факторам (физическим и химическим), может привести к разрушению отдельных химических связей в ДНК – к разрыву одной или обеих ее нитей. Если повреждена одна нить, то возможно восстановление структуры ДНК за счет действия механизмов восстановления (репарации), которые по второй нити способны полностью восстановить повреждение первой. В области малых доз возникновение одинарных разрывов ДНК характерно при воздействии излучений с низкой ЛПЭ (фотонов, электронов, быстрых протонов). Если повреждены оба комплементарных участка ДНК, то такое восстановление становится невозможным, что приводит к нерепарируемому повреждению ДНК, которое может иметь тяжелые последствия для судьбы клетки. Такие разрывы, как правило, приводят к инактивации и гибели клеток. В области малых доз возникновение двойных разрывов ДНК происходит при воздействии излучения с высокой ЛПЭ (альфа-частиц, медленных протонов). В этом случае достаточно, чтобы трек одной тяжелой заряженной частицы пересек обе спирали ДНК и повредил их. Возникновение двойных разрывов ДНК при воздействии излучений с низкой ЛПЭ возможно только в области больших доз. Для такого события необходимо, чтобы треки двух заряженных частиц (электронов) пересекли комплементарные участки спирали ДНК и повредили их.
Важнейшее значение в судьбе облученной клетки имеет работа системы репарации повреждений ДНК (рис. 4.2). Вместе с первичным эффектом (повреждением ДНК) репарация определяет раннюю клеточную реакцию на радиационное воздействие. При правильной репарации (обычно такая репарация возможна только в отношении одинарных разрывов ДНК) не наблюдается никаких последствий облучения. Напротив, ошибочная репарация одинарных разрывов может привести либо к гибели клетки или к возникновению ее нежизнеспособных потомков (инактивации клетки, ее репродуктивной гибели), либо к возникновению при делении клетки жизнеспособных потомков – носителей мутации. Мутацией называют естественное возникающее или искусственно вызванное стойкое изменение структур клетки, ответственных за хранение наследственной информации. Эти структуры обеспечивают передачу наследственной информации от клетки к клетке в процессе деления, без которого невозможно существование организма. В результате мутации возникает клетка со свойствами, нехарактерными для данной ткани, например, способная к неуправляемому делению (неоплазии).
В экспериментах с разными биологическими объектами и излучениями была обнаружена фундаментальная особенность биологического действия излучения на живые клетки, которая состоит в том, что при любой дозе есть отличная от нуля вероятность того, что какие-то из облученных объектов останутся неповрежденными. Это указывает на то, что в основе биологического действия излучения лежат случайные процессы передачи энергии излучения веществу, возникновения первичных эффектов и т.д. Вероятностный характер реакции биологических объектов на облучение является фундаментальным радиобиологическим законом. Вместе с тем можно ожидать, что одна ионизация может привести к повреждению (разрыву) ДНК, последствия которого могут быть усилены ошибочной репарацией и привести к серьезному поражению облученной клетки. Таким образом, отлична от нуля вероятность того, что передача биологической ткани порции энергии ионизирующего излучения величиной в несколько электронвольт (~10-18 Дж) может привести к гибели или мутации облученной клетки. |
ПЕРВИЧНЫЙ ЭФФЕКТ Повреждение ДНК |
КЛЕТОЧНАЯ РЕАКЦИЯ Правильная репарация Инактивация Ошибочная репарация |
НЕТ ЭФФЕКТА |
ГИБЕЛЬ КЛЕТОК |
ПОВРЕЖДЕНИЕ ТКАНИ КЛЕТОК |
МУТАЦИЯ КЛЕТОК |
НЕОПЛАЗИЯ |
РАННЯЯ КЛЕТОЧНАЯ РЕАКЦИЯ ТКАНИ КЛЕТОК |
КЛЕТОЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ |
ПОСЛЕДСТВИЯ |
Рис. 4.2. Стадии формирования радиационных эффектов |
4.4. Биологические эффекты, возникающие у человека под действием ионизирующего излучения
Биологические эффекты излучения у человека невозможно свести только к реакции на облучение отдельных клеток. Решающую роль в формировании биологических эффектов излучения играет коллективный отклик на воздействие излучения клеток, составляющих органы и ткани. Эти тканевые реакции нацелены на сохранение целостности и функции органа и ткани, что во многом определяет развитие радиационного поражения. Клетки, из которых состоят органы и ткани тела человека, можно разделить на две неравные группы:
- мужские и женские половые клетки, в результате слияния которых может возникнуть человеческий зародыш;
- соматические[38] клетки, к которым относят все остальные клетки тела человека.
Согласно современным представлениям, биологические эффекты излучения делят на детерминированные и стохастические. Это деление представлено в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Биологические эффекты ионизирующего излучения у человека
Клетки-мишени | Эффекты излучения | |
Детерминированные | Стохастические | |
Соматические клетки человека | Лучевые поражения ор-ганов и тканей | Злокачественные опухоли и лейкозы |
Половые клетки родителей | Гибель эмбриона или пло-да | Наследуемые забо-левания у потом-ков[39] |
Соматические клетки эмбриона или плода | Врожденные уродства и аномалии | Злокачественные опухоли и лейкозы |
В основе развития детерминированных эффектов лежит гибель соматических клеток (клеток органов и тканей) под действием больших доз излучения. В основе развития стохастических эффектов лежит изменение природы клеток под действием излучения. При малых дозах облученные клетки хотя и повреждаются излучением, но выживают и приобретают новые качества, передающиеся их потомкам. Такие клетки называют клетками-мутантами.
Изучение эффектов излучения является основой для разработки стратегии защиты человека от рисков, связанных с использованием источников ионизирующего излучения. Биологические эффекты излучения в значительной степени определяются свойствами самого облучаемого объекта, однако они сходны для живых организмов, относящихся к одному классу, например, для млекопитающих. Поэтому радиобиологические эксперименты на животных служат для исследования общих закономерностей радиационного поражения. Фактической базой радиационной безопасности является многолетнее наблюдение за группами облученных людей. В начале XX в. такой наблюдаемой группой были врачи-радиологи, а после Второй Мировой войны – жители Хиросимы и Нагасаки, выжившие после применения ядерного оружия, жертвы радиационных аварий, больные, подвергавшиеся терапевтическому облучению, работники атомной промышленности.