(Физико-химическая стадия)
На этой стадии происходит образование свободных радикалов. Свободные радикалы - это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбите. Они являются весьма реакционноспособными, т.к. имеют тенденцию спаривать этот электрон с аналогичным электроном в другом СР либо удалять его из атома путем электронного излучения. Следовательно, СР могут быть как окислителями (акцепторами), так и восстановителями (донорами).
В основе первичных радиационно-химических изменений на данной стадии могут лежать 2 механизма:
1) прямое действие - когда молекула претерпевает изменения непосредственно при взаимодействие с ИИ;
2) косвенное действие - когда молекула непосредственно не поглощает энергию от ИИ, а получает ее от других молекул.
Поскольку живая материя на 70-90% состоит из воды, то большая часть энергии излучения поглощается именно молекулами воды.
Таким образом, в основе косвенного действия ионизирующего излучения лежит воздействие продуктов радиолиза воды на биомолекулы или т.н. радиационно-индуцированные свободнорадикальные реакции. Механизм радиолиза воды заключается в следующем.
|
|
При воздействии ИИ в воде идут процессы ионизации и возбуждения. В результате ионизации из молекулы воды выбивается электрон и образуется положительно заряженная молекула воды: Н2О + h → Н2О+ + 0е-.
Если энергии для ионизации недостаточно, то возможно образование возбужденной молекулы воды:
Н2О + h → Н2О*
Освободившийся при ионизации молекулы воды электрон постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, которая превращается в отрицательно заряженную молекулу воды:
Н2О + е- - Н2О-
Все перечисленные первичные продукты взаимодействия молекулы воды с излучением (Н2О+, Н2О-, Н2О*) являются нестабильными и распадаются с образованием ионов и свободных радикалов:
Н2О+ ® Н+ + ОН
Н2О- ® Н + ОН-
Н2О* ® Н + ОН
Кроме того, выбитый электрон может окружить себя четырьмя молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон е-aq и может быть захвачен молекулой Н2О+ с образованием возбужденной молекулы воды:
Н2О+ + е-aq - Н2О*
Возбужденная молекула воды распадается на атомарный водород Н и гидроксильный радикал ОН. Далее радикалы могут реагировать друг с другом. Это, в первую очередь, касается радикалов Н и ОН, образующихся при распаде Н2О*, после реакции:
Н + Н → Н2
ОН + ОН → H2 O2
Н + ОН → Н2О
Образовавшиеся радикалы могут вступать в реакцию с другими молекулами воды:
Н2О + Н → ОН + Н2
Продукты радиолиза воды способны вырывать атом водорода из органических молекул, превращая их в радикалы:
|
|
RН + Н → R + Н2
RН + ОН →R +H2 O
Продукты радиолиза воды могут также реагировать с молекулами растворенного кислорода, в результате чего образуются перекисные радикалы, обладающие высокой реакционной способностью:
Н + О2 - НО2 (гидроперекисный радикал);
О2 + е-aq -2 (супероксидный радикал).
В целом для продуктов радиолиза воды наиболее характерны реакции окисления или восстановления субстрата, образования радиотоксинов. К окислителям относят следующие продукты радиолиза воды:
ОН, Н2О2, НО2, О2-.
К восстановителям относят Н, е-aq.
Образование радиотоксинов происходит в результате реакции с хиноном и убихиноном.
Необходимо отметить, что в присутствии кислорода образуются дополнительные реакционноспособные радикалы, которые обладают выраженным поражающим действием. Кроме того, молекула кислорода обладает электроноакцепторными свойствами, активно взаимодействует с образующимися при действии излучения радикалами биологических молекул, как бы фиксирует возникшие в них потенциальные повреждения и делает их трудно допустимыми для репарации.
Следовательно, в присутствии кислорода отмечается усиление лучевого повреждения по сравнению с наблюдаемым в анаэробных условиях. Это явление известно в радиобиологии как кислородный эффект.
Количественной мерой КЗ служит коэффициент кислородного усиления. При облучении отдельных клеток он равен 3, т.е. в присутствии кислорода лучевое повреждение усиливается втрое.
Для проявления такого действия кислород должен присутствовать в клетке в момент облучения. Однако в дальнейшем кислород играет положительную роль: он необходим для нормальной работы систем репарации ДНК.
Таким образом, в формировании лучевого повреждения кислород ведет себя двояко: усиливая первичные процессы лучевого повреждения, он одновременно стимулирует процессы внутриклеточного восстановления.
Кислородный эффект зависит от ЛПЭ: с увеличением ЛПЭ он уменьшается и при действии, например, альфа-излучения исчезает.
На кислородном эффекте основан метод управления тканевой радиочувствительностью, что используется в лучевой терапии опухолей.
1) оксигенорадиотерапия (оксибарорадиотерапия).
Во время сеанса лучевой терапии больной дышит чистым кислородом при нормальном или увеличенным в 2-3 р. атмосферном давлении. Напряжение кислорода в здоровых тканях увеличивается незначительно (есть предел насыщения). В опухоли давление кислорода поднимается до такого же уровня, но по сравнению с исходным его содержание возрастает во много раз, значит, повышается ее радиочувствительность.
2) гипооксирадиотерапия.
Во время сеанса лучевой терапии больной дышит гипоксической газовой смесью (содержание кислорода 7-10% вместо 21%). Напряжение кислорода в здоровой ткани уменьшается, а в опухоли останется прежним. Значит, можно повысить дозу на опухоль.
4. ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА МАКРОМОЛЕКУЛЫ
(химическая стадия)