double arrow

Действие излучения на живые клетки

Рис. 4.1. Клетка живой ткани: М – мембрана;     С – цитоплазма; G – органеллы; F – хромосомы, содержащие ДНК;   N – ядро
Особую роль в формировании реакции живых клеток на воздействие ионизирующего излучения играют процессы, происходящие в клеточном ядре, а также внутриклеточные процессы, усиливающие первичные повреждения биологически важных макромолекул. Схематичес-ки клетка живой ткани представлена на рис. 4.1. Клетка, по существу, представляет собой самовоспроиз-водящуюся химическую систему. Для того, чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию химических веществ, эта система должна быть физически отделена от своего окружения и вместе с тем она должна обладать способностью к обмену с этим окружением, т.е. способностью поглощать те вещества, которые требуются ей в качестве «сырья», и выводить наружу накапливающиеся «отходы». Таким путем, т.е. выполняя работу, эта система может сохранять стабильность. В то время, как клетки разных органов различаются по размерам, форме и детальной структуре, некоторые черты являются общими. Каждая клетка характеризуется мембраной (М)[34], ограничивающей гелеобразную цитоплазму (С), состоящую на 85 % из воды, химических продуктов и из некоторых обособленных более мелких структур, каждая из которых выполняет свою особую функцию. Такие четко очерченные структуры были названы органеллами, что в переводе означает «маленькие органы». Первым среди ораганелл было открыто ядро, которое в 1831 г. описал Роберт Браун. Это самая крупная и самая важная органелла, поскольку в ядре содержатся хромосомы[35], хранящие ДНК. Самыми мелкими органеллами являются рибосомы (место синтеза белка).

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.



Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: