Допущено
Всероссийским учебно - методическим центром
по непрерывному медицинскому и фармацевтическому образованию
Министерства здравоохранения Российской Федерации
в качестве учебника для студентов медицинских институтов

3.1. Виды излучений

1. Лазеры - монохроматическое излучение в области от инфракрасных до ультрафиолетовых (длина волны более 760 нм или менее 400 нм).
2. Ультрафиолетовое излучение (длина волны менее 480 нм).
3. Ионизирующая радиация (альфа- и бета- частицы и гамма-лучи).

Наименьшая проникающая способность у ультрафиолетовых лучей (задерживаются кожей), затем - у лазерных лучей (проникающая способность 2-2,5 см, т.е. кожа и подкожные слои), у ионизирующей радиации: альфа-частицы задерживаются кожей, бета-частицы проникают на глубину 2-2,5 см, гамма-лучи беспрепятственно проходят через все тело.

3.2. Молекулярные механизмы повреждающего действия излучений

Твердо установленным фактором является то, что первичные поражения при действии излучений разных видов развиваются на уровне клетки в результате физико-химических реакций и биологических последствий. Биологические эффекты излучения зависят от дозы и продолжительности действия, изменяющих выраженность физико-химических взаимодействий излучения с молекулами. При действии различных видов излучения на биологические объекты можно различить два механизма: прямой и непрямой. 3.2.1. Прямой механизм [показать]

Прямой механизм при ультрафиолетовом и лазерном излучениях связан с возбуждением атомов. При этом переход электрона на более отдаленные от ядра орбиты приводит к повышению реакционноспособности таких атомов. В целом, это вызывает повышение химической активности функциональных групп белков, азотистых оснований нуклеиновых кислот. В результате они вступают в химические реакции между собой. Например, образуются двойные кольца пиримидиновых оснований (Рис. 3), необратимые сшивки ДНК с белком, разрывы нити ДНК, что и составляет молекулярную природу мутаций. Происходит и повреждение белковой молекулы.

Прямое действие ионизирующей радиации, обладающей во много раз большей энергией, в противоположность ультрафиолетовому и лазерному излучениям, связано не с возбуждением атомов, а с их ионизацией (поэтому и излучение называется ионизирующим), вследствие выталкивания электрона с внешней орбитали. При действии на биологические молекулы патологические последствия такие же, что и при ультрафиолетовом и лазерном излучениях (повреждение белковой молекулы, мутации).

3.2.2. Непрямой механизм [показать]

Непрямой эффект излучений обнаруживается при действии на водные растворы биомакромолекул. Организм представляет именно такой пример: фактически "это 70 кг воды, поставленных на ноги". Первый этап непрямого действия излучения - образование свободных радикалов и перекисное окисление липидов биомембран. В организме быстрее всего ионизации подвергается вода. В процессе ее ионизации образуются свободные радикалы следующих типов: Н + , ОН - . Дальнейшие патологические изменения связаны с действием этих продуктов радиолиза воды. Подтверждением этому является высокая радиоустойчивость белков-ферментов в лиофилизированном состоянии.

3.3. Виды патологического действия свободных радикалов

Свободные радикалы Н + и ОН - могут прямо взаимодействовать с наиболее реакционноспособными тиоловыми группами белка, вызывая инактивацию белков-ферментов или нарушение функций структурных белков. Взаимодействие с азотистыми основаниями ДНК приводит к мутациям. Эти реакции протекают в анаэробных условиях.

В присутствии кислорода, наряду с радиолизом воды, возможно образование О - 2 (суперокисного радикала), ведущего к образованию гидроксильного радикала (ОН) и запуску свободно-радикальной реакции окисления липидов в присутствии атмосферного кислорода. Реакции этого типа имеют решающее значение для патогенеза многих патологических состояний, т.к. они приводят к поражению биологических мембран, что в данном случае составляет биологический этап действия излучений. Известно, что биомембраны представляют собой "липидное озеро, в котором плавают айсберги белков". Липиды обуславливают барьерную функцию внешних (плазматических) и внутренних (митохондрии, лизосомы, эндоплазматический ретикулум) мембран клетки для водорастворимых веществ.

Последствия повреждения бпомембран:

1. Повышение проницаемости плазматических мембран приводит к нарушению мембранного потенциала и выходу внутриклеточных ферментов, витаминов и микроэлементов в кровь.
2. Поступление внутрь клетки натрия, набухание митохондрий, нарушение их энергетической функции.
3. Перекисное окисление липидов мембран лизосом вызывает увеличение их проницаемости и выход внутрь клетки лизосомных ферментов, что является для клетки гибельным т.к.:
   • лизосомные ферменты вызывают дальнейший распад макромолекул, в том числе белка, нуклеиновых кислот;
   • наряду с этим, происходит и выход из тучных клеток БАВ, вызывающих нарушение микроциркуляции и кровообращения в органах и тканях. Продукты распада тканей оказывают дальнейший токсический эффект.
4. Ядерные мембраны - повреждение ядра и генетического материала.

Особенно хорошо действие излучения изучено на генетическом материале. При достаточно больших дозах происходит угнетение митотической активности клеток, что является одним из важнейших проявлений биологического действия излучения. Отсюда понятна чувствительность опухолевых и других быстро пролиферирующих тканей к действию излучений. В первую очередь, излучение затрагивает из этих быстро пролиферирующих тканей лимфоидную ткань, слизистую тонкого кишечника, костный мозг, половые железы, опухолевую ткань.

Клинические непосредственные и отдаленные последствия

• Непосредственно после воздействия. Например, ионизирующая радиация вызывает лучевую болезнь, лазерное излучение - повреждение сетчатки глаза, ультрафиолетовое излучение - ожог кожи и склеры глаз, слизистой ротовой полости, губ.
• Отдаленные последствия. В результате поражения соматических клеток возникают соматические мутации, ведущие к образованию злокачественных опухолей. При мутации генофонда клеток половых желез возникают генетические дефекты, передающиеся по наследству.

3.4. Ультрафиолетовое (УФ) излучение

Воздействию УФ-излучения человек подвергается от естественных (солнце) и искусственных источников (в промышленности, больницах и биологических лабораториях, школах).

Виды УФ излучения:

• УФ-С (200-280 нм) - не оказывает серьезного повреждающего действия, т.к. поглощается слоем озона в стратосфере;
• УФ-В (280-320 нм) - обладает наибольшим влиянием на организм;
• УФ-А (280-400 им) - о нем известно меньше всего, само по себе не обнаруживает биологического эффекта, но в присутствии ряда химических веществ (тетрациклины) оказывает фототоксическое, фотоаллергическое, фотоконцерогенное действия.

Благотворный эффект УФ - хорошо доказывается "от противного" появлением световой недостаточности за Полярным кругом, в плохих социальных условиях (вспомним "Дети подземелья" В.Короленко), характеризующихся дефицитом витамина Д и развитием рахита у детей с нарушением лицевого скелета, кариеса в результате нарушения обмена фосфора и кальция. Поэтому УФ используется в стоматологии при лечении хейлитов, острых гнойных процессов челюстно-лицевой области, для улучшения регенераторных процессов вообще.

3.4.1. Вредные эффекты УФ

3.4.1.1. Местные острые.

К ним относятся "солнечный ожог" кожи, слизистой полости ртa, конъюнктивы и роговицы глаза. Патогенез: УФ увеличивает образование свободных радикалов и активирует перекисное окисление липидов, что вызывает повреждение мембран лизосом и высвобождение их протеолитических ферментов, а также повреждение мембран мастоцитов (тучных клеток) с освобождением биологически активных веществ (гистамина, лейкотриенов), вызывающих гиперемию, отек, некроз клеток, т.е. картину воспаления.

Защитный механизм от действия УФ - это загар, который представляет собой миграцию меланина из базальных слоев кожи в поверхностные, где он отражает свет.

Поражение глаз протекает в форме фотокератита и фотоконъюнктивита (сварщики, альпинисты). Характерный симптом - чувство "песка" в глазу. Патогенез тот же. Но защитных механизмов, как у кожи, нет. Клинические проявления обычно проходят через 48 часов. 3.4.1.2. Местные хронические.

К ним причисляют "старение" кожи, воспалительные изменения губ (хейлиты). Работающие на открытом воздухе (рыбаки, сельхозрабочие, дорожники) часто выглядят старше, чем служащие. Патогенез: дегенерация коллагена кожи, слизистой губ в результате повреждающего действия УФ.

3.4.2. Общее действие УФ излучения

Другое патологическое состояние, связанное с действием УФ, гораздо более грозное и называется пигментная склеродермия, завершающаяся летальным исходом уже в юношеские годы. Это заболевание связано с патологической мутацией структурного гена, кодирующего биосинтез ДНК-эндонуклеазы.

Вернемся к механизмам генетического гомеостаза, их фактически два:

1. Мы уже говорили о системе иммунного надзора, которая распознает и элиминирует мутировавшие и ставшие чужеродными клетки.
2. Кроме этого механизма, действующего на уровне целого организма, есть другой, работающий непосредственно на уровне ДНК - это ферментативный механизм ликвидаций повреждений ДНК. В ходе эволюции возникли защитные механизмы гомеостаза, среди которых значительную роль играет способ ферментативной ликвидации повреждений, вызванных в ДНК человека УФ излучением. Механизм этот функционирует по принципу "вырезать и сшить" (Рис. 5).

   Так вот, разрезание мутированного участка ДНК, удаление продукции фотореакции УФ излучения и ДНК по границе с нормальным участком ДНК осуществляется эндонуклеазой. Затем возникший в нити ДНК промежуток восстанавливается в ходе ресинтеза ДНК-полимеразой, а концы сшиваются лигазой. В результате неправильного функционирования этой системы патологические мутации, возникающие при действии УФ, не удаляются. Особо высокой чувствительностью к УФ обладают люди, страдающие пигментной склеродермией. У них на открытых участках кожи образуются ожоги, в 50% переходящие в карциному, от которой пациенты и погибают. А в фибробластах кожи при пигментной склеродермии обнаруживается недостаточность ДНК-эндонуклеазы. Ее активность составляет 10-20% нормальной.

3.5. Лазерное излучение

Действие лазерного излучения происходит в стотысячные доли секунды и поэтому не вызывает ощущения боли. Наибольшей чувствительностью к лазерному излучению обладают окрашенные, пигментированные ткани.

Механизмы повреждения действия лазерного излучения: в дополнение к основному, свободнорадикальному (1), предполагается еще и термическое (2), а также кавитационное действие (3).

Термический ожог, может быть связан с тем, что ткань просто поглощает энергию ИК части спектра излучения, что может привести к тепловой инактивации белка (потеря третичной структуры - кипячение).

Кавитационное действие - связано с быстрым повышением температуры до уровня, при котором происходит быстрое испарение жидкой части клетки. Это приводит к своеобразному взрыву - образованию микрополости с повышенным давлением и распространяющейся от нее в стороны ударной волны, разрывающей ткани. Данный эффект лежит в основе работы лазерного скальпеля.

В то же время, при действии газовых (аргон, гелий, неон) оптико-квантовых генераторов, тоже обладающих повреждающим биологическим действием, происходит увеличение температуры только на 7° С, что исключает термическую природу повреждения и фактор ударной волны.

Поэтому, наиболее вероятным является все-таки свободно-радикальный механизм повреждающего действия лазерного излучения. Образование свободных радикалов было обнаружено в меланинсодержащих тканях и коже черных мышей, а также пигментных участках кожи морских свинок.

3.5.1. Действие лазерного излучения на организм

Глаза - наиболее чувствительный орган. При действии лазерного излучения в области изображения луча на сетчатке происходит обесцвечивание пигмента сетчатки глазного дна. При дальнейшем увеличении энергии происходит разрыв сосудистой оболочки и возникновение подсетчаточных кровоизлияний. По мере увеличения энергии образуется зона некроза палочек и сетчатки с ее отслойкой вокруг дефекта и кровоизлияние в стекловидное тело. Через сутки развивается воспалительная реакция, завершающаяся образованием рубца. При отслойке сетчатки это явление используется для ее "приваривания". Короткое время экспозиции исключает необходимость анестезии. Метод широко используется в Красноярском межобластном центре микрохирургии глаза в клинике имени профессора П.Г.Макарова.

Кожа - другой критический орган по отношению к действию лазерного излучения, но менее чувствительный, чем глаз. Наблюдается четкая прямая зависимость эффекта от пигментации. Это явление используется для удаления татуировок, лазерной рефлексотерапии (иглотерапия).

В области воздействия лазерного излучения возникает эффект, напоминающий ожог. Очень мало известно о хронических воздействиях лазерного излучения на кожу. Вместе с тем, лазерное излучение используется при хронических афтозных стоматитах, при острых воспалительных процессах (ангине и т.д.) с целью стимуляции регенерации.

Опухоли - в опытах на культурах клеток и тканей, на перевиваемых штаммах опухолей животных и человека, удаленных из организма и in situ опухолях человека показано, что при действии лазерных лучей наблюдается их немедленное разрушение, либо регрессия. Считается, что причиной может быть разрушение мембран, инактивация ферментов. Имеющиеся, хотя и скудные факты указывают на то, что лица, которые могут подвергаться воздействию лазерного излучения, должны проходить регулярный медосмотр, включающий тщательное обследование органа зрения.

3.6. Действие ионизирующего излучения на организм

Лучевая терапия, аварии атомных реакторов, ядерный взрыв вызывают лучевую болезнь, что указывает на наличие общих реакций организма на лучевое воздействие. Ионизирующее излучение действует на клетки тем сильнее, чем клетки моложе и менее дифференцированы, чем длительнее они находятся в состоянии митоза. Поэтому наиболее чувствительны кроветворная система, лимфоузлы, селезенка, костный мозг, половые железы, слизистая желудочно-кишечного тракта, в том числе слизистая полости рта. Высокой радиоустойчивостью обладает печень, скелет, почки и ЦНС. Так, например, абсолютно смертельной однократной дозой для человека является 600 рентген, а церебральная форма лучевой болезни возникает от применения очень больших доз, начиная с 10000 рентген и более. При взрыве атомной и нейтронной бомб на расстоянии 5 км от эпицентра возможно возникновение церебральной формы (резкое увеличение проницаемости биомембран клеток ЦНС - судороги, немедленный паралич).

3.6.1. Стадии лучевой болезни: формирование - восстановление - последствия

В формировании острой лучевой болезни различают 3 периода:

1. Период первичных реакций - стресс-реакция развивается через несколько часов (длится до 1-2 суток). В этот период усиливаются обменные процессы, причиной чего является стимуляция САС и системы гипоталамус - гипофиз - кора надпочечников в ответ на стресс - воздействие ионизирующей радиации. Клинически это проявляется в усилении функции основных органов: тахикардия, рвота и тенезмы, гиперемия слизистых, возбуждение.
2. Скрытый период - период кажущегося благополучия (длительность в зависимости от дозы). Задержка митотической активности стволовых клеток костного мозга. Клиническое благополучие, поэтому диагноз - только по крови: угнетение всех ее ростков, так как гибнет стволовая (материнская) клетка, дающая начало эритроцитам, лейкоцитам, тромбоцитам.
3. Период выраженных клинических проявлений. В нем различают 3 основных формы острой лучевой болезни:
   • церебральная (см.выше).
   • костно-мозговая (вызывает доза до 1000 рентген, развивается через 10-14 дней). Наиболее характерно для этой формы угнетение кровотворения в костном мозге вплоть до панмиелофтиза: резкое уменьшение в крови тромбоцитов, эритроцитов, лейкоцитов и лимфоцитов. С этим связаны клинические проявления: кровоизлияния в коже и слизистых, внутренних органах, анемия и гемическая гипоксия, вторичные иммунодефицитные состояния и присоединение инфекций.
   • кишечная (вызывает доза 1000-2000 рентген, развивается через 7-10 дней у человека и через 3-5 дней у животных). Наиболее характерно поражение слизистых, в т.ч. и кишечника ("облысение", т.е. потеря эпителиальными клетками щеточной каемки, покрывающей микроворсинки тонкого кишечника). Выраженная диарея приводит к изотонической дегидратации и метаболическому ацидозу, т.к. кишечный сок изотоничен плазме крови и имеет щелочной характер: нарушению всасывания мономеров белков, углеводов, липидов: повышению проницаемости слизистой кишечника, сопровождающейся проникновением бактериальной аутофлоры в кровь (токсемия).

3.6.1.2. Стадия восстановления

Стадия восстановления характеризуется восстановлением нормальных тканей за счет "островков" регенерации, т.е.сохранившейся ткани.

3.6.1.3. Стадия отдаленных последствий

1. В результате поражения лимфоидной системы возможно развитие вторичного иммунодефицита - онкогенно опасная ситуация (т.к. не будет распознавания и элиминирования мутаций), минимальная сопротивляемость инфекции;
2. Поражение костного мозга - стойкие изменения в кроветворных органах, ведущие к анемии, тромбоцитопении, лейкопении;
3. Воздействие на половые железы - стерилизация, наследственные заболевания.

С учетом стадии последствий программа мониторинга (слежения) за здоровьем населения в регионе Чернобыля разрабатывается на 100 лет.

3.6.2. Использование излучений в медицине

Использование излучений в медицине многообразно. Можно привести следующие примеры:

1. Лечение опухолей, гипертиреоза.
2. Стерилизация продуктов питания, белья и инструментов.
3. Метод меченых атомов - включение радиоактивного элемента, не изменяет свойств веществ, дает возможность проследить его судьбу в организме, ход течения биохимических и физиологических процессов, в которые включается меченое соединение (содержание гормонов, ОЦЭ).
4. Стимуляция процессов регенерации тканей (лазерное, ультрафиолетовое излучения), образование активной формы витамина Д.

Действие ионизирующего излучения на организм человека может приводить к острым и удаленным, последствиям. Острые последствия являются результатом поглощения большой дозы ионизирующего излучения при облучении значительной части тела или местном облучении критических органов, тканей или систем органов, повреждение которых в наибольшей степени влияет на жизнедеятельность организма.

Острые последствия проявляются сразу или в короткие сроки после облучения (в течение нескольких часов, дней, недель). Полученная практически мгновенно большая поглощенная доза (около 5 Гр и более) при воздействии ионизирующего излучения на все тело человека с большим ступенем вероятности приведет к летальному исходу в течение нескольких недель. Это связано с тем, что подобное облучения приводит к серьезным нарушениям в костном мозге и пищеварительной системе. Усилиями врачей можно спасти жизнь человека, получившего дозу до 5 Гр.

Однако, если поглощена организмом доза достигает нескольких десятков Грей (например, 60 Грей), никакие усилия медицинского персонала не помогут человеку избежать летального исхода. Острые последствия облучения обычно проявляются в органах и тканях с клетками, которые быстро делятся, и в большинстве случаев приводят к гибели значительного количества клеток.

В органах и тканях, сформированных из клеток, которые медленно делятся и не деляться, в результате кратковременного поглощения большой дозы ионизирующего излучения происходят изменения, которые могут привести к заболеваниям через значительный промежуток времени (иногда через 10-20 лет) после облучения. Подобные эффекты называют отдаленными последствиями облучения.

Отдаленные последствия облучения — это заболевания, вызванные действием ионизирующего излучения на организм и возникают через длительное время после облучения. Как показали наблюдения, при средних и малых дозах облучения сокращение жизни, в основном, связано с увеличение частоты заболеваний крови (лейкозов) и раковых заболеваний отдельных органов и тканей. Первое место в этой группе заболеваний занимают лейкозы. Так, при медицинском обследовании людей, которые выжили после бомбардировок в Хиросиме и Нагасаки, после двухлетнего скрытого (латентного) периода наблюдали развитие лейкозов, а в среднем через 6-7 лет после облучения регистрировали максимальную частоту лейкозов.

Действие ионизирующего излучения на человека может также вызвать рак молочной и щитовидной желез. Попадание радионуклидов с воздухом в организм человека может привести к развитию рака легких. Облучение может вызвать и рак кожи. Все эти заболевания, вызванные действием ионизирующего излучения на организм человека, является отдаленными последствиями облучения.

Эффекты, возникающие в результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека, разделяют на детерминированые (определенные, закономерные) и стохастические (случайные, вероятные).

Детерминированые эффекты неизбежно возникают при превышении определенных пороговых уровней доз и обычно характерны для больших поглощенных доз ионизирующего излучения (чаще 1 Грей и выше). К детерминированным эффектам относятся все острые последствия облучения (радиационные ожоги, лучевая болезнь и др.). А также эффекты, вызванные хроническим облучением при накоплении доз до определенных уровней (например, радиационная катаракта). После достижения порогового значения дозы радиационные эффекты проявляются тем раньше, чем больше доза, и усиливаются по мере увеличения дозы или мощности дозы облучения.

Детерминированые эффекты облучения могут вызвать такие нарушения в организме человека:

Лучевая болезнь;

Истощение красного костного мозга

Нарушение репродуктивной функции;

Неопухолевые формы поражения кожи;

Лучевая катаракта.

Детерминированые эффекты обычно возникают в том случае, когда в результате облучения погибло или стало неспособным к воспроизводству значительное число клеток ткани или органа человека. Это может привести к нарушению функции ткани или органа. Нарушения становятся все более серьезными с увеличением числа клеток, подвергшихся воздействию ионизирующего излучения. В том случае, когда в результате облучения число погибших клеток в биологической ткани или органе человека превышающей число образованных снова, это ведет к полной потере функции ткани или органа. Если серьезно повреждена ткань (или орган), которая играет важную роль в жизнедеятельности организма, то конечным результатом может стать смерть человека.

Детерминированые эффекты наблюдаются при облучении всего тела человека или локальном облучении критических органов.

Каждому человеку присуща чувствительность к действию ионизирующего излучения. У людей с неодинаковой радиочувствительностью подобные детерминированые эффекты могут проявляться при различных дозах облучения.

Стохастические эффекты характерны для низких доз, чем детерминированые эффекты, и наблюдаются при средних (от 0,2 до 1 Гр) и малых (менее 0,2 Гр) доз облучения. Обычно они наблюдаются в тех случаях, когда доза накапливается в течение длительного периода времени и в организме нет признаков ранних радиационных нарушений. Тогда организм может самостоятельно устранять некоторые нарушения, возникающие в клетках в результате облучения. Стохастические эффекты проявляются в виде раковых и генетических (наследственных) заболеваний, которые могут возникать через значительный промежуток времени после облучения (в некоторых случаях — через десятилетия, а иногда даже у потомков человека, подвергшегося облучению). Стохастические эффекты — это эффекты, о которых невозможно точно сказать, реализуются они у конкретного лица или нет. Можно лишь оценить вероятность их возникновения, пользуясь статистическими методами.

Стохастические эффекты возникают в том случае, когда облученная клетка не погибает, а меняется. Изменена, но жизнеспособная клетка может дать в результате деления новое поколение измененных клеток. Если эти клетки не будут уничтожены защитной системой организма, то после длительного латентного периода могут развиться раковые заболевание. При изменениях в половых клетках могут проявиться генетиские (наследственные) нарушения у некоторых представителей следующих поколений. Латентный (скрытый) период, когда заболевание никак не проявляется, может быть разным. Тяжесть заболевания не зависит от величины полученной дозы, но по мере увеличения дозы возрастает вероятность возникновения заболевания.

Основную часть ионизирующего облучения человек получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения попадают на поверхность Земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре.

Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи; в этом случае говорят о внешнем облучении
. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним .

Радиация по самой своей природе вредна для жизни. Малые дозы облучения могут «запустить» не до конца еще изученную цепь событий, приводящих к раку или генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма.

Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, обыкновенно проявляются в течение нескольких часов или дней. Раковые заболевания, однако, проявляются спустя много лет после облучения, - как правило, не ранее чем через одно-два десятилетия. А врожденные пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, по определению проявляются лишь в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки индивидуума, подвергшегося облучению.

В то время как идентификация быстро проявляющихся («острых») последствий от действия больших доз облучения не составляет труда, обнаружить отдаленные последствия от малых доз облучения почти всегда оказывается очень трудно. Частично это объясняется тем, что для их проявления должно пройти очень много времени. Но даже и обнаружив какие-то эффекты, требуется еще и доказать, что они объясняются действием радиации, поскольку и рак, и повреждения генетического аппарата могут быть вызваны не только радиацией, но и множеством других причин.

Чтобы вызвать острое поражение организма, дозы облучения должны превышать определенный уровень, но нет никаких оснований считать, что это правило действует в случае таких последствий, как рак или повреждение генетического аппарата. По крайней мере, теоретически для этого достаточно самой малой дозы. Однако, в то же время, никакая доза облучения не приводит к этим последствиям во всех случаях. Даже при относительно больших дозах облучения далеко не все люди обречены на эти болезни: действующие в организме человека репарационные механизмы обычно ликвидируют все повреждения. Точно так же любой человек, подвергшийся действию радиации, совсем не обязательно должен заболеть раком или стать носителем наследственных болезней; однако вероятность или риск наступления таких последствий у него больше, чем у человека, который не был облучен. И риск этот тем больше, чем больше доза облучения.

Острое поражение организма человека происходит при больших дозах облучения. Вообще говоря, радиация оказывает подобное действие, лишь начиная с некоторой минимальной, или «пороговой», дозы облучения.

Реакция тканей и органов человека на облучение неодинакова, причем различия очень велики. Величина же дозы, определяющая тяжесть поражения организма, зависит от того, получает ли ее организм сразу или в несколько приемов. Большинство органов успевает в той или иной степени залечить радиационные повреждения и поэтому лучше переносит серию мелких доз, нежели ту же суммарную дозу облучения, полученную за один прием.

Воздействие ионизирующего излучения на живые клетки

Заряженные частицы . Проникающие в ткани организма a- и b-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят. (g-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими способами, которые в конечном счете также приводят к электрическим взаимодействиям.)

Электрические взаимодействия . За время порядка десяти триллионных секунды после того, как проникающее излучение достигнет соответствующего атома в ткани организма, от этого атома отрывается электрон. Последний заряжен отрицательно, поэтому остальная часть исходно нейтрального атома становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией. Оторвавшийся электрон может далее ионизировать другие атомы.

Физико-химические изменения . И свободный электрон, и ионизированный атом обычно не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционноспособные, как «свободные радикалы».

Химические изменения . В течение следующих миллионных долей секунды, образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки.

Биологические эффекты . Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и чрез десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или таких изменений в них, которые могут привести к раку.

Разумеется, если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Во всяком случае, очень большие дозы облучения порядка 100 Гр вызывают настолько серьезное поражение центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах облучения от 10 до 50 Гр при облучении всего тела поражение центральной нервной системы может оказаться не настолько серьезным, чтобы привести к летальному исходу, однако облученный человек, скорее всего, все равно умрет через одну-две недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте. При еще меньших дозах может не произойти серьезных повреждений желудочного тракта или организм с ними справится, и тем не менее, смерть может наступить через один-два месяца, с момента облучения главным образом из-за разрушения клеток красного костного мозга - главного компонента кроветворной системы организма: от дозы 3-5 Гр при облучении всего тела умирает примерно половина всех облученных. Таким образом, в этом диапазоне доз облучения большие дозы отличаются от меньших лишь тем, что смерть в первом случае наступает раньше, а во втором - позже.

В организме человека ионизирующие воздействия вызывают цепочку обратимых и необратимых изменений. Пусковым механизмом воздействия являются процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в тканях. Важную роль в формировании биологических эффектов играют свободные радикалы Н и ОН, которые образуются в результате радиолиза воды (в организме человека содержится до 70 % воды). Обладая высокой активностью, они вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других элементов биологической ткани, что приводит к нарушению биохимических процессов в организме. В процесс вовлекаются сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В результате нарушаются обменные процессы, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных функций органов и систем организма. Под влиянием ионизирующих излучений в организме происходит нарушение функции кроветворных органов, увеличение проницаемости и хрупкости сосудов, расстройство желудочно-кишечного тракта, снижение сопротивляемости организма, его истощение, перерождение нормальных клеток в злокачественные и др. Эффекты развиваются в течение разных промежутков времени: от долей секунд до многих часов, дней, лет.

Радиационные эффекты принято делить на соматические и генетические. Соматические эффекты проявляются в форме острой и хронической лучевой болезни, локальных лучевых повреждений, например, ожогов, а также в виде отдаленных реакций организма, таких как лейкоз, злокачественные опухоли, раннее старение организма. Генетические эффекты могут проявиться в последующих поколениях.

Острые поражения развиваются при однократном равномерном гамма-облучении всего тела и поглощенной дозе свыше 0,25 Гр. При дозе 0,25…0,5 Гр могут наблюдаться временные изменения в крови, которые быстро нормализуются. В интервале дозы 0,5… 1,5 Гр возникает чувство усталости, менее чем у 10 % облученных может наблюдаться рвота, умеренные изменения в крови. При дозе 1,5…2,0 Гр наблюдается легкая форма острой лучевой болезни, которая проявляется продолжительным снижением числа лимфоцитов в крови (лимфопенией), возможна рвота в первые сутки после облучения. Смертельные исходы не регистрируются.

Лучевая болезнь средней тяжести возникает при дозе 2,5…4,0 Гр. Почти у всех в первые сутки - тошнота, рвота, резко снижается содержание лейкоцитов в крови, появляются подкожные кровоизлияния, в 20 % случаев возможен смертельный исход, смерть наступает через 2…6 недель после облучения.

При дозе 4,0…6,0 Гр развивается тяжелая форма лучевой болезни, приводящая в 50 % случаев к смерти в течение первого месяца. При дозах, превышающих 6,0…9,0 Гр, почти в 100 % случаев крайне тяжелая форма лучевой болезни заканчивается смертью из-за кровоизлияния или инфекционных заболеваний-.

Приведенные данные относятся к случаям, когда отсутствует лечение. В настоящее время имеется ряд противолучевых средств, которые при комплексном лечении позволяют исключить летальный исход при дозах около 10 Гр.

Хроническая лучевая болезнь может развиться при непрерывном или повторяющемся облучении в дозах, существенно ниже тех, которые вызывают острую форму. Наиболее характерными признаками хронической формы являются изменения в крови, нарушения со стороны нервной системы, локальные поражения кожи, повреждения хрусталика, снижение иммунитета организма.

Степень воздействия радиации зависит от того, является облучение внешним или внутренним (при попадании радиоактивного изотопа внутрь организма). Внутреннее облучение возможно при вдыхании, заглатывании радиоизотопов и проникновении их в организм человека через кожу. Некоторые вещества поглощаются и накапливаются в конкретных органах, что приводит к высоким локальным дозам радиации. Например, кальций, радий, стронций накапливаются в костях, изотопы иода вызывают повреждение щитовидной железы, редкоземельные элементы - преимущественно опухоли печени. Равномерно распределяются изотопы цезия, рубидия, вызывая угнетение кроветворения, повреждение семенников, опухоли мягких тканей. При внутреннем облучении наиболее опасны альфа-излучающие изотопы полония и плутония.

Гигиеническая регламентация ионизирующего излучения осуществляется Нормами радиационной безопасности НРБ-99 (Санитарными правилами СП 2.6.1.758-99).

Основные дозовые пределы облучения и допустимые уровни устанавливаются для следующих категорий облучаемых лиц:

Персонал - лица, работающие с техногенными источниками (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б);

Все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий в их производственной деятельности.

Для категорий облучаемых лиц устанавливают три класса нормативов: основные пределы доз, (табл. 1) и допустимые уровни, соответствующие основным пределам доз и контрольные уровни.

Доза эквивалентная Н- поглощенная доза в органе или ткани D, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения W:

H =W*D

Единицей измерения эквивалентной дозы является Дж/кг, имеющий специальное наименование зиверт (Зв).

Таблица 1

Основные пределы доз (извлечение из НРБ-99)

Нормируемые величины	Пределы доз, мЗв
	Персонал (группа А)*	Население
Эффективная доза	20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв в год	1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год
Эквивалентная доза за год в:
хрусталике глаза ***
коже****
Кистях и стопах

* Допускается одновременное облучение до указанных пределов по всем нормируемым величинам.

** Основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни облучения персонала группы Б, равны 1/4 значений для персонала группы А. Далее в тексте все нормативные значения для категории персонал приводятся только для группы А.

*** Относится к дозе на глубине 300 мг/см 2 .

**** Относится к среднему по площади в 1 см 2 значению в базальном слое кожи толщиной 5 мг/см 2 под покровным слоем толщиной 5 мг/см 2 . На ладонях толщина покровного слоя 40 мг/см. Указанным пределом допускается облучение всей кожи человека при условии, что в пределах усредненного облучения любого 1 см площади кожи этот предел не будет превышен. Предел дозы при облучении кожи лица обеспечивает непревышение предела дозы на хрусталик от бета-частиц.

Значения для фотонов, электронов и ионов любых энергий составляет 1, для а - частиц, осколков деления, тяжелых ядер - 20.

Доза эффективная - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе (ткани) на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани:

Основные пределы доз облучения не включают в себя дозы от природных и медицинских источников ионизирующего излучения, а также дозу вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения устанавливаются специальные ограничения.

Таблица 2

Допустимые уровни общего радиоактивного загрязенния рабочих поверхностей кожи (в течение рабочей смены) (извлечение из НРБ-96), спецодежды и средств индивидуальной защиты, частиц /(см 2 *мин)

Объект загрязнения	b -Активные нуклилы		b -Активные нуклиды
	Отдельные	прочие
Неповрежденная кожа, полотенца, спецбелье, внутренняя поверхность лицевых частей средств индивидуальной защиты	2	2	200
Основная спецодежда, внутренняя поверхность дополнительных средств индивидуальной защиты, наружная поверхность спецобуви	5	20	2000
Наружная поверхность дополнительных средств индивидуальной зашиты, снимаемой в саншлюзах	50	200	10000
Поверхности помещений постоянного пребывания персонала и находящегося в них оборудования	5	20	2000
Поверхности помещений периодического пребывания персонала и находящегося в них оборудования	50	200	10000

Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) - 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) - 70 мЗв. Кроме этого задаются допустимые уровни общего радиоактивного загрязнения рабочих поверхностей, кожи (в течение рабочей смены), спецодежды и средств индивидуальной защиты. В табл. 2 приведены числовые значения допустимых уровней общего радиоактивного загрязнения.

2. Обеспечение безопасности при работе с ионизирующими излучениями

Все работы с радионуклидами правила подразделяют на два вида: на работу с закрытыми источниками ионизирующих излучений и работу с открытыми радиоактивными источниками.

Закрытыми источниками ионизирующих излучений называются любые источники, устройство которых исключает попадание радиоактивных веществ в воздух рабочей зоны. Открытые источники ионизирующих излучений способны загрязнять воздух рабочей зоны. Поэтому отдельно разработаны требования к безопасной работе с закрытыми и открытыми источниками ионизирующих излучений на производстве.

Обеспечение радиационной безопасности требует комплекса многообразных защитных мероприятий, зависящих от конкретных условий работы с источниками ионизирующих излучений, а также от типа источника.

Главной опасностью закрытых источников ионизирующих излучений является внешнее облучение, определяемое видом излучения, активностью источника, плотностью потока излучения и создаваемой им дозой облучения и поглощенной дозой. Защитные мероприятия, позволяющие обеспечить условия радиационной безопасности при применении закрытых источников, основаны на знании законов распространения ионизирующих излучений и характера их взаимодействия с веществом. Главные из них следующие:

1. Доза внешнего облучения пропорциональна интенсивности излучения времени действия.

2. Интенсивность излучения от точечного источника пропорциональна количеству квантов или частиц, возникающих в них в единицу времени, и обратно пропорционально квадрату расстояния.

3. Интенсивность излучения может быть уменьшена с помощью экранов.

Из этих закономерностей вытекают основные принципы обеспечения радиационной безопасности: уменьшение мощности источников до минимальных величин (защита количеством); сокращение времени работы с источниками (зашита временем); увеличение расстояния от источника до работающих (защита расстоянием) и экранирование источников излучения материалами, поглощающими ионизирующие излучения (зашита экранами).

Защита количеством подразумевает проведение работы с минимальными количествами радиоактивных веществ, т.е. пропорционально сокращает мощность излучения. Однако требования технологического процесса часто не позволяют сократить, количество радиоактивного вещества в источнике, что ограничивает на практике применение этого метода зашиты.

Защита временем основана на сокращении времени работы с источником, что позволяет уменьшить дозы облучения персонала. Этот принцип особенно часто применяется при непосредственной работе персонала с малыми активностями.

Защита расстоянием -достаточно простой и надежный способ защиты. Это связано со способностью излучения терять свою энергию во взаимодействиях с веществом: чем больше расстояние от источника, тем больше процессов взаимодействия излучения с атомами и молекулами, что в конечном итоге приводит к снижению дозы облучения персонала.

Защита экранами наиболее эффективный способ защиты от излучений. В зависимости от вида ионизирующих излучений для изготовления экранов Применяют различные материалы, а их толщина определяется мощностью излучения. Лучшими экранами для защиты от рентгеновского и гамма-излучений являются материалы с большим 2, например свинец, позволяющий добиться нужного эффекта по кратности ослабления при наименьшей толщине экрана. Более дешевые экраны делаются из просвинцованного стекла, железа, бетона, барритобетона, железобетона и воды.

По своему назначению защитные экраны условно разделяются на пять групп:

1. Защитные экраны-контейнеры, в которые помещаются радиоактивные препараты. Они широко используются при транспортировке радиоактивных веществ и источников излучений.

2. Защитные Экраны для оборудования. В этом случае экранами полностью окружают все рабочее оборудование при положении радиоактивного препарата в рабочем положении или при включении высокого (или ускоряющего) напряжения на источнике ионизирующей радиации.

3. Передвижные защитные экраны. Этот тип защитных экранов применяется для защиты рабочего места на различных участках рабочей зоны.

4; Защитные экраны, монтируемые как части строительных конструкций (стены, перекрытия полов и потолков, специальные двери и т.д.). Такой вид защитных экранов предназначается для зашиты помещений, в которых постоянно находится персонал, и прилегающей территории.

5. Экраны индивидуальных средств защиты (щиток из оргстекла, смотровые стекла пневмокостюмов, просвинцованные перчатки и др.).

Зашита от открытых источников ионизирующих излучений предусматривает как защиту от внешнего облучения, так и защиту персонала от внутреннего облучения, связанного с возможным проникновением радиоактивных веществ в организм через органы дыхания, пищеварения или через кожу. Все виды работ с открытыми источниками ионизирующих излучений разделены на 3 класса. Чем выше класс выполняемых работ, тем жестче гигиенические требования по защите персонала от внутреннего переоблучения.

Способы защиты персонала при этом следующие:

1. Использование принципов защиты, применяемых при работе с источниками излучения в закрытом виде.

2. Герметизация производственного оборудования с целью изоляции процессов, которые могут явиться источниками поступления радиоактивных веществ во внешнюю среду.

3. Мероприятия планировочного характера. Планировка помещений предполагает максимальную изоляцию работ с радиоактивными веществами от других помещений и участков, имеющих иное функциональное назначение. Помещения для работ I класса должны размешаться в отдельных зданиях или изолированной части здания, имеющей отдельный вход. Помещения для работ II класса должны размещаться изолированно от других помещений; работы III класса могут проводиться в отдельных специально выделенных комнатах.

4. Применение санитарно-гигиенических устройств и оборудования, использование специальных защитных материалов.

5. Использование средств индивидуальной защиты персонала. Все средства индивидуальной защиты, используемые для работы с открытыми источниками, разделяются на пять видов: спецодежда, спецобувь, средства защиты органов дыхания, изолирующие костюмы, дополнительные защитные приспособления.

6. Выполнение правил личной гигиены. Эти правила предусматривают личностные требования к работающим с источниками ионизирующих излучений: запрещение курения в рабочей; зоне, тщательная очистка (дезактивация) кожных покровов после окончания работы, проведение дозиметрического контроля загрязнения спецодежды, спецобуви и кожных покровов. Все эти меры предполагают исключение возможности проникновения радиоактивных веществ внутрь организма.

Службы радиационной безопасности.
Безопасность работы с источниками ионизирующих излучений на предприятиях контролируют специализированные службы-службы радиационной безопасности комплектуются из лиц, прошедших специальную подготовку в средних, высших учебных заведениях или специализированных курсах Минатома РФ. Эти службы оснащены необходимыми приборами и оборудованием, позволяющими решать поставленные перед ними задачи.

Службы выполняют все виды контроля на основании действующих методик, которые постоянно совершенствуются по мере выпуска новых видов приборов радиационного контроля.

Важной системой профилактических мероприятий при работе с источниками ионизирующих излучений является проведение радиационного контроля.

Основные задачи, определяемые национальным законодательством по контролю радиационной обстановки в зависимости от характера проводимых работ, следующие:

Контроль мощности дозы рентгеновского и гамма-излучений, потоков бета-частиц, нитронов, корпускулярных излучений на рабочих местах, смежных помещениях и на территории предприятия и наблюдаемой зоны;

Контроле за содержанием радиоактивных газов и аэрозолей в воздухе рабочих и других помещений предприятия;

Контроль индивидуального облучения в зависимости от характера работ: индивидуальный контроль внешнего облучения, контроль за содержанием радиоактивных веществ в организме или в отдельном критическом органе;

Контроль за величиной выброса радиоактивных веществ в атмосферу;

Контроль за содержанием радиоактивных веществ в сточных водах, сбрасываемых непосредственно в канализацию;

Контроль за сбором, удалением и обезвреживанием радиоактивных твердых и жидких отходов;

Контроль уровня загрязнения объектов внешней среды за пределами предприятия.

Хроническая лучевая болезнь является следствием повторных облучений небольшими дозами. Патогенез нарушений и клиника по существу не отличаются от таковых при остром заболевании, однако динамика развития болезни и степень выраженности отдельных признаков имеют отличия.

Различают три степени тяжести хронической лучевой болезни. При заболевании первой степени нарушения носят.характер функциональных обратимых эасстройств со стороны наиболее чувствительных систем. Иногда самочувствие больного может быть удовлетворительным, но при исследовании крови обнаруживаются признаки заболевания - умеренная нестойкая лейкопения и тромбоцитопения.

Заболевание второй степени характеризуется более выраженными изменениями со стороны нервной и кроветворной систем, а также наличием гемоэрагического синдрома и снижением иммунитета. Отмечается стойкая лейкопения и лимфопения, количество тромбоцитов также уменьшено.

Заболевание третьей степени характеризуется тяжелыми необратимыми изменениями в органах, глубокой дистрофией тканей. В нервной системе выражены признаки органического поражения. Функция гипофиза и надпочечных желез истощена. Кроветворение резко угнетено, тонус сосудов понижен, а проницаемость стенки их резко повышена. Слизистые оболочки поражены язвенно-некротическим процессом. Инфекционные осложнения и воспалительные процессы тоже носят некротический характер.

Хроническая лучевая болезнь любой тяжести приводит к ранним дистрофическим поражениям всех тканей, преждевременному старению.

Биологическое действие малых доз радиации оценивается по-разному по отношению к популяции в целом и по отношению к отдельному индивидууму. Существуют такие минимальные уровни облучения, которые не сказываются существенно на заболеваемости популяции. Этим определяются допустимые дозы облучения на производстве. Так же оценивается и фоновое (природное) излучение. Существуют данные, свидетельствующие о том, что некоторые минимальные уровни радиоактивного излучения являются необходимым компонентом среды обитания, ниже которых в искусственно созданных условиях живые организмы развиваются хуже. В этом смысле можно говорить о пороге воздействия.

Иначе оценивается биологическое значение малых доз облучения для отдельно взятого индивидуума. Одного кванта энергии достаточно для мутации, а последствия одной-единственной мутации могут оказаться для организма драматическими, особенно в тех случаях, когда имеется слабость репаративных ферментных систем или недостаток естественных антиоксидантов. В этом смысле никакое облучение не может считаться абсолютно безвредным для человека.

Известно также, что малые дозы излучения, не вызывающие в ранние сроки видимых функциональных и морфологических нарушений, могут вызывать патологические изменения в организме в отдаленные сроки, в частности, повышать частоту новообразований. Количественно оценить их на фоне спонтанной заболеваемости раком трудно.

В экспериментах описано новое явление, заключающееся в том, что клетки, получившие малую дозу радиации, не вызвавшую-никаких видимых патологических изменений, погибают раньше положенного срока, причем эта способность передается по наследству в нескольких поколениях. Это наводит на мысль о преждевременном старении и передаче этого свойства по наследству.

Гипоксия. Виды, характеристика, механизмы компенсации. Изменение показателей оксигенации крови при гипоксиях (гипоксической, респираторной, циркуляторной, тканевой, гемической). Механизмы устойчивости к гипоксии в детском возрасте. Последствия гипоксии.

Гипоксия, или кислородное голодание - типический патологический процесс, развивающийся в результате недостаточного снабжения тканей кислородом или нарушения использования его тканями.

Виды гипоксии

В основу классификации, которая приводится ниже, положены причины и механизмы развития кислородного голодания. Различают следующие виды гипоксии: гипоксическую, дыхательную, гемическую, циркуляторную, тканевую и смешанную.

Гипоксическая, или экзогенная, гипоксия развивается при снижении парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе. Наиболее типичным примером гипоксической гипоксии может служить горная болезнь. Ее проявления находятся в зависимости от высоты подъема. В эксперименте гипоксическая гипоксия моделируется при помощи барокамеры, а также с использованием дыхательных смесей, бедных кислородом.

Дыхательная, или респираторная, гипоксия возникает в результате нарушения внешнего дыхания, в частности нарушения легочной вентиляции, кровоснабжения легких или диффузии в них кислорода, при которых нарушается оксигенация артериальной крови (см. раздел XX - "Патологическая физиология внешнего дыхания").

Кровяная, или гемическая, гипоксия возникает в связи с нарушениями в системе крови, в частности с уменьшением ее кислородной емкости. Гемическая гипоксия подразделяется на анемическую и гипоксию вследствие инактивации гемоглобина. Анемия как причина гипоксии описана в разделе XVIII ("Патологическая физиология системы крови").

В патологических условиях возможно образование таких соединений гемоглобина, которые не могут выполнять дыхательную функцию. Таким является карбоксигемоглобин - соединение гемоглобина с окисью углерода (СО). Сродство гемоглобина к СО в 300 раз выше, чем к кислороду, что обусловливает высокую ядовитость угарного газа: отравление наступает при ничтожных концентрациях СО в воздухе. При этом инактивируются не только гемоглобин, но и железосодержащие дыхательные ферменты. При отравлении нитратами, анилином образуется метгемоглобин, в котором трехвалентное железо не присоединяет кислород.

Циркуляторная гипоксия развивается при местных и общих нарушениях кровообращения, причем в ней можно выделить ишемическую и застойную формы.

Если нарушения гемодинамики развиваются в сосудах большого круга кровообращения, насыщение крови кислородом в легких может быть нормальным, однако при этом может страдать доставка его тканям. При нарушениях гемодинамики в системе малого круга страдает оксигенация артериальной крови.

Циркуляторная гипоксия может быть вызвана не только абсолютной, но и относительной недостаточностью кровообращения, когда потребность тканей в кислороде превышает его доставку. Такое состояние может возникнуть, например, в сердечной мышце при эмоциональных напряжениях, сопровождающихся выделением адреналина, действие которого хотя и вызывает расширение венечных артерий, но в то же время значительно повышает потребность миокарда в кислороде.

К этому виду гипоксии относится кислородное голодание тканей в результате нарушения микроциркуляции, которая, как известно, представляет собой капиллярный крово- и лимфоток, а также транспорт через капиллярную сеть и мембраны клеток.

Тканевая гипоксия - нарушения в системе утилизации кислорода. При этом виде гипоксии страдает биологическое окисление на фоне достаточного снабжения тканей кислородом. Причинами тканевой гипоксии являются снижение количества или активности дыхательных ферментов, разобщение окисления и фосфорилирования.

Классическим примером тканевой гипоксии, при которой происходит инактивация дыхательных ферментов, в частности цитохромоксидазы - конечного фермента дыхательной цепи, является отравление цианидами. Алкоголь и некоторые наркотики (эфир, уретан) в больших дозах угнетают дегидрогеназы.

Снижение синтеза дыхательных ферментов бывает при авитаминозах. Особенно важны рибофлавин и никотиновая кислота - первый является кофактором флавиновых ферментов, вторая входит в состав НАД-зависимых дегидрогеназ.

При разобщении окисления и фосфорилирования снижается эффективность биологического окисления, энергия рассеивается в виде свободного тепла, ресинтез макроэргических соединений снижается. Энергетическое голодание и метаболические сдвиги подобны тем, которые возникают при кислородном голодании.

В возникновении тканевой гипоксии может иметь значение активация перекисного свободнорадикального окисления, при котором органические вещества подвергаются неферментативному окислению молекулярным кислородом. Перекисное окисление липидов (ПОЛ) вызывает дестабилизацию мембран митохондрий и лизосом. Активация свободнорадикального окисления, а следовательно, и тканевая гипоксия наблюдаются при действии ионизирующей радиации, гипероксии, а также при дефиците естественных антиоксидантов, которые участвуют в восстановлении свободных радикалов или в элиминации перекиси водорода. Таковыми являются токоферолы, рутин, убихинон, аскорбиновая кислота, глутатион, серотонин, каталаза, холестерин и некоторые стероидные гормоны.

Перечисленные выше отдельные виды кислородного голодания встречаются редко, чаще наблюдаются различные их комбинации. Например, хроническая гипоксия любого генеза обычно осложняется поражением дыхательных ферментов и присоединением кислородной недостаточности тканевого характера. Это дало основание выделить шестой вид гипоксии - смешанную гипоксию.

Выделяют еще гипоксию нагрузки, которая развивается на фоне достаточного или даже повышенного снабжения тканей кислородом. Однако повышенное функционирование органа и значительно возросшая потребность в кислороде могут привести к неадекватному кислородному снабжению и развитию метаболических нарушений, характерных для истинной кислородной недостаточности. Примером могут служить чрезмерные нагрузки в спорте, интенсивная мышечная работа. Этот вид гипоксии является пусковым механизмом развития утомления.

Патогенез

Как и любой другой патологический процесс, гипоксия развивается в две стадии - компенсации и декомпенсации. Сначала благодаря включению компенсаторно-приспособительных реакций оказывается возможным поддерживать нормальное снабжение тканей кислородом вопреки нарушению доставки его. При истощении приспособительных механизмов развивается стадия декомпенсации или собственно кислородное голодание.

Компенсаторно-приспособительные реакции при гипоксии развиваются в системах транспорта и в системе утилизации кислорода. Кроме того, выделяют механизмы "борьбы за кислород" и механизмы приспособления к условиям пониженного тканевого дыхания.

Увеличение легочной вентиляции происходит в результате рефлекторного возбуждения дыхательного центра импульсами с хеморецепторов сосудистого русла, главным образом синокаротидной и аортальной зон, которые обычно реагируют на изменение химического состава крови и в первую очередь на накопление углекислоты (гиперкапния) и ионов водорода.

В случае гипоксической гипоксии, например при подъеме на высоту в горах, раздражение хеморецепторов происходит непосредственно в ответ на снижение в крови напряжения кислорода, так как рСО2 в крови также снижено. Гипервентиляция является несомненно положительной реакцией организма на высоту, но имеет и отрицательные последствия, поскольку осложняется выведением углекислоты, развитием гипокапнии и дыхательного (газового) алкалоза. Если принять во внимание влияние углекислоты на мозговое и коронарное кровообращение, регуляцию тонуса дыхательного и вазомоторного центров, кислотно-основное состояние, диссоциацию оксигемоглобина, то становится ясным, какие важные показатели могут нарушаться при гипокапнии. Все это означает, что при рассмотрении патогенеза горной болезни гипокапнии следует придавать такое же значение, как и гипоксии.

Усиление кровообращения направлено на мобилизацию средств доставки кислорода тканям (гиперфункция сердца, увеличение скорости кровотока, раскрытие нефункционирующих капиллярных сосудов). Не менее важной характеристикой кровообращения в условиях гипоксии является перераспределение крови в сторону преимущественного кровоснабжения жизненно важных органов и поддержание оптимального кровотока в легких, сердце, головном мозге вследствие уменьшения кровоснабжения кожи, селезенки, мышц, кишок. Наличие в организме своеобразной оксигенотопографии и ее динамических колебаний - важный приспособительный механизм при гипоксии. Перечисленные изменения кровообращения регулируются рефлекторными и гормональными механизмами, а также тканевыми продуктами измененного обмена, которые обладают сосудорасширяющим действием.

Повышение количества эритроцитов и гемоглобина увеличивает кислородную емкость крови. Выброс крови из депо может обеспечить экстренное, но непродолжительное приспособление к гипоксии. При более длительной гипоксии усиливается эритропоэз в костном мозге, о чем свидетельствует появление ретикулоцитов в крови, увеличение количества митозов в эритро- нормобластах и гиперплазия костного мозга. Стимуляторами гемопоэза являются эритропоэтины почек, а также продукты распада эритроцитов, который имеет место при гипоксии.

Изменения кривой диссоциации оксигемоглобина. При гипоксии повышается способность молекулы гемоглобина А присоединять кислород в легких и отдавать его тканям. Несколько возможных вариантов этого приспособления приведены на рис. 17.1. Сдвиг кривой диссоциации в области верхней инфлексии влево свидетельствует о повышении способности Нв поглощать кислород при более низком парциальном давлении его во вдыхаемом воздухе. Артериальная кровь может быть насыщена кислородом больше, чем обычно, что способствует увеличению артериовенозной разницы. Сдвиг вправо в области нижней инфлексии указывает на снижение сродства Нв к кислороду при низких величинах рО2, т. е. в тканях. При этом ткани могут получать больше кислорода из крови.

Имеются данные о повышении содержания в крови фетального гемоглобина, который имеет более высокое сродство к кислороду.

Механизмы долговременной адаптации к гипоксии. Описанные выше приспособительные изменения развиваются в наиболее реактивных системах организма, ответственных за транспорт кислорода и его распределение. Однако аварийная гиперфункция внешнего дыхания и кровообращения не может обеспечить стойкого и длительного приспособления к гипоксии, так как требует для своего осуществления повышенного потребления кислорода, сопровождается повышением интенсивности функционирования структур (ИФС) и усилением распада белков. Аварийная гиперфункция требует со временем структурного и энергетического подкрепления, что обеспечивает не просто выживание, а возможность активной физической и умственной работы при длительной гипоксии.

В настоящее время к этому аспекту приковано наиболее пристальное внимание исследователей. Предметом изучения являются горные и ныряющие животные, коренные жители высокогорных районов, а также экспериментальные животные с компенсаторными приспособлениями к гипоксии, выработанными в течение нескольких поколений. Установлено, что в системах, ответственных за транспорт кислорода, развиваются явления гипертрофии и гиперплазии - увеличивается масса дыхательных мышц, легочных альвеол, миокарда, нейронов дыхательного центра; усиливается кровоснабжение этих органов за счет увеличения количества функционирующих капиллярных сосудов и их гипертрофии (увеличения диаметра и длины). Это приводит к нормализации интенсивности функционирования структур (ИФС). Гиперплазию костного мозга тоже можно рассматривать как пластическое обеспечение гиперфункции системы крови.

Получены данные о том, что при длительной акклиматизации к высотной гипоксии улучшаются условия диффузии кислорода из альвеолярного воздуха в кровь благодаря повышению проницаемости легочно-капиллярных мембран, увеличивается содержание миоглобина, который представляет собой не только дополнительную кислородную емкость, но и обладает способностью стимулировать процесс диффузии О2 в клетку (рис. 17.2). Большой интерес представляют адаптационные изменения в системе утилизации кислорода. Здесь принципиально возможно следующее:

усиление способности тканевых ферментов утилизировать кислород, поддерживать достаточно высокий уровень окислительных процессов и осуществлять нормальный синтез АТФ вопреки гипоксемии;

более эффективное использование энергии окислительных процессов (в частности, в ткани головного мозга установлено повышение интенсивности окислительного фосфорилирования вследствие большего сопряжения этого процесса с окислением);

усиление процессов бескислородного освобождения энергии при помощи гликолиза (последний активизируется продуктами распада АТФ, а также вследствие ослабления ингибирующего влияния АТФ на ключевые ферменты гликолиза).

Существует предположение, что в процессе длительной адаптации к гипоксии происходят качественные изменения конечного фермента дыхательной цепи - цитохромоксидазы, а возможно, и других дыхательных ферментов, в результате чего повышается их сродство к кислороду. Появились данные о возможности ускорения самого процесса окисления в митохондриях (М. Н. Кондрашова).

Другой механизм адаптации к гипоксии заключается в увеличении количества дыхательных ферментов и мощности системы митохондрий путем увеличения количества митохондрий.

Последовательность этих явлений представлена на рис. 17.3. Начальным звеном является торможение окисления и окислительного ресинтеза аденозинтрифосфорной кислоты при недостатке кислорода, в результате чего в клетке уменьшается количество макроэргов и соответственно увеличивается количество продуктов их распада. Соотношение [АДФ]х[Ф ]/ [АТФ], обозначаемое как потенциал фосфорилирования, увеличивается. Этот сдвиг является стимулом для генетического аппарата клетки, активация которого приводит к увеличению синтеза нуклеиновых кислот и белков в системе митохондрий. Масса митохондрий увеличивается, что означает увеличение числа дыхательных цепей. Таким путем восстанавливается или повышается способность клетки вырабатывать энергию вопреки недостатку кислорода в притекающей крови.

Описанные процессы происходят главным образом в органах с наиболее интенсивной адаптационной гиперфункцией при гипоксии, т. е. ответственных за транспорт кислорода (легкие, сердце, дыхательные мышцы, эритробластический росток костного мозга), а также наиболее страдающих от недостатка кислорода (кора большого мозга, нейроны дыхательного центра). В этих же органах увеличивается синтез структурных белков, приводящий к явлениям гиперплазии и гипертрофии. Таким образом, длительная гиперфункция систем транспорта и утилизации кислорода получает пластическое и энергетическое обеспечение (Ф. 3. Меерсон). Эта фундаментальная перемена на клеточном уровне меняет характер адаптационного процесса при гипоксии. Расточительная гиперфункция внешнего дыхания, сердца и кроветворения становится излишней. Развивается устойчивая и экономная адаптация.

Повышению устойчивости тканей к гипоксии способствует активизация гипоталамо-гипофизарной системы и коры надпочечных желез. Гликокортикоиды активизируют некоторые ферменты дыхательной цепи, стабилизируют мембраны лизосом.

При разных видах гипоксии соотношение между описанными приспособительными реакциями может быть различным. Так, например, при дыхательной и циркуляторной гипоксии ограничены возможности приспособления в системе внешнего дыхания и кровообращения. При тканевой гипоксии неэффективны приспособительные явления в системе транспорта кислорода.

Патологические нарушения при гипоксии. Нарушения, характерные для гипоксии, развиваются при недостаточности или истощении приспособительных механизмов.

Окислительно-восстановительные процессы, как известно, являются механизмом получения энергии, необходимой для всех процессов жизнедеятельности. Сохранение этой энергии происходит в фосфорных соединениях, содержащих макроэргические связи. Биохимические исследования при гипоксии выявили уменьшение содержания этих соединений в тканях. Таким образом, недостаток кислорода приводит к энергетическому голоданию тканей, что лежит в основе всех нарушений при гипоксии.

При недостатке О 2 происходит нарушение обмена веществ и накопление продуктов неполного окисления, многие из которых являются токсическими. В печени и мышцах, например, уменьшается количество гликогена, а образующаяся глюкоза не окисляется до конца. Молочная кислота, которая при этом накапливается, может изменять кислотно-основное состояние в сторону ацидоза. Обмен жиров также происходит с накоплением промежуточных продуктов - ацетона, ацетоуксусной и β-оксимасляной кислот (кетоновых тел). Появление продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) - один из важнейших факторов гипоксического повреждения клетки. Нейтрализация их происходит средствами естественной антиоксидантной защиты, механизмы которой мы стремимся воспроизвести искусственно с целью коррекции гипоксических состояний на тканевом уровне. Накапливаются промежуточные продукты белкового обмена. Увеличивается содержание аммиака, снижается содержание глутамина, нарушается обмен фосфопротеидов и фосфолипидов, устанавливается отрицательный азотистый баланс. Синтетические процессы снижены. Изменения электролитного обмена заключаются в нарушении активного транспорта ионов через биологические мембраны, снижении количества внутриклеточного калия. Важная роль ионов кальция, накопление которых в цитоплазме клеток считается одним из основных звеньев гипоксического повреждения клетки, доказана положительным влиянием блокаторов кальциевых каналов. К метаболическим нарушениям при гипоксии следует отнести и нарушение синтеза медиаторов нервной системы.

Структурные нарушения в клетке при гипоксии возникают в результате описанных выше биохимических изменений. Так, сдвиг рН в кислую сторону и другие нарушения обмена повреждают мембраны лизосом, откуда выходят активные протеолитические ферменты. Их разрушительное действие на клетку, в частности на митохондрии, усиливается на фоне дефицита макроэргов, который делает клеточные структуры еще более уязвимыми. Ультраструктурные нарушения выражаются в гиперхроматозе и распаде ядра, набухании и деградации митохондрий, сохранность которых предопределяет обратимость гипоксического повреждения клетки.

Выше было указано, что основу долговременного приспособления к гипоксии составляет структурно обеспеченная гиперфункция систем Транспорта и утилизации кислорода, а это в свою очередь обусловлено активизацией генетического аппарата. В дифференцированных клетках, особенно коры головного мозга и нейронов дыхательного центра, этот процесс может закончиться истощением.

Чувствительность различных тканей к недостатку кислорода неодинакова и находится в зависимости от следующих факторов:

1. интенсивности обмена веществ, т.е. потребности ткани в кислороде;

2. мощности ее гликолитической системы, т. е. способности вырабатывать энергию без участия кислорода;

3. запасов энергии в виде макроэргических соединений;

4. потенциальной возможности генетического аппарата обеспечивать пластическое закрепление гиперфункции.

Ионизирующее воздействие фотонов непосредственно не может химически или биологически повредить клетку. Ионизация, создаваемая ИИ в клетках, приводит к образованию свободных радикалов. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу .

Канцерогенез (лат. cancerogenesis; cancero – рак + греч. genesis , зарождение, развитие) – сложный патофизиологический процесс зарождения и развития опухоли.

Мутагенез - это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (возникновение мутаций).

Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.

После воздействия излучения на организм в зависимости от дозы могут возникнуть детерминированные и стохастические радиобиологические эффекты. Детерминированные радиобиологические эффекты имеют чёткий дозовый порог проявления (например, порог появления симптомов острой лучевой болезни у человека составляет 1-2 Зв на всё тело). Стохастические эффекты не имеют чёткого дозового порога проявления. С увеличением дозы облучения возрастает лишь частота их проявления. Проявиться они могут как спустя много лет после облучения (злокачественные новообразования), так и в последующих поколениях (мутации).

3.1. Действие радиации на организм человека

В 1898 году Анри Беккерель в течение шести часов носил в карманном жилете пробирку с радием, которую подарила ему Мария Склодовская-Кюри и через некоторое время на его теле там, где хранилась пробирка с радием, образовался ожог. Так впервые было обнаружено особое свойство радия воздействовать на живую ткань. Это положило начало новой отрасли науки – радиационной биологии .

Поступая в тело живого организма, энергия излучения изменяет протекающие в нем биологические и физиологические процессы, нарушает обмен веществ (рис. 4). Воздействия ИИ на биологические объекты подразделяют на пять видов:

1. Физико-химические (вызывающие перераспределение энергии за счет ионизации). Продолжительность – секунды. (Процесс образования ионов длится всего около 10-13 с, после чего наступают физико-химические изменения ткани.)

2. Химические повреждения клеток и тканей (образование свободных радикалов, возбужденных молекул и т.д.). Продолжительность – от секунды до нескольких часов.

3. Биомолекулярные повреждения (повреждение белков, нуклеиновых кислот и т.д.). Продолжительность – от микросекунд до нескольких часов.

4. Ранние биологические эффекты (гибель клеток, органов, всего организма). Длится стадия от нескольких часов до нескольких недель.

5. Отдаленные биологические эффекты (возникновение опухолей, генетические нарушения, сокращение продолжительности жизни и т.д.). Длится годами, десятилетиями и даже столетия.

Радиочувствительность и радиорезистентность – понятия, характеризующие степень чувствительности животных и растительных организмов, а также их клеток и тканей к воздействию ИИ. Чем больше возникает изменений в ткани под влиянием радиации, тем ткань более радиочувствительна , и, наоборот, способность организмов или отдельных тканей не давать патологических изменений при воздействии ИИ характеризует степень их радиорезистентности , т.е. устойчивости к радиации. Различные виды живых организмов существенно различаются по своей радиочувствительности. Выявлена общая закономерность: чем сложнее организм, тем он более чувствителен к действию радиации. По степени возрастания чувствительности к ионизирующим излучениям живые организмы располагаются в следующем порядке:

вирусы → амеба → черви → кролик → крыса → мышь →
→ обезьяна → собака → человек.

Клеточная радиочувствительность - интегральная характеристика клетки, определяющая вероятность ее гибели после радиационного воздействия. На клеточном уровне радиочувствительность зависит от ряда факторов: физиологического состояния, организации генома, состояния системы репарации ДНК, содержания в клетке антиоксидантов, интенсивности окислительно-восстановительных процессов.При усилении функциональной активности радиочувствительность клеток повышаетсяАнтиоксиданты (антиокислители) - ингибиторы окисления, природные или синтетические вещества, способные тормозить окисление органических соединений.

Быстро размножающиеся клетки млекопитающих проходят четыре стадии цикла: митоз (митоз - деление ядра эукариотической клетки с сохранением числа хромосом); 1-ый промежуточный период (GI); синтез ДНК и 2-ой промежуточный период (G2). Наиболее чувствительны к облучению клетки в фазах митоза и G2. У клеток, находящихся в начальной стадии усиленного деления, радиочувствительность резко возрастает. Максимальная резистентность к радиации наблюдается в период синтеза ДНК. Среди зрелых форм клеточных элементов радиочувствительность тем ниже, чем они старее.

Выделяют два пути поражения клеток ИИ: прямой и косвенный (непрямой).

Прямой путь поражения клетки характеризуется поглощением энергии излучения молекулами клеток, и в первую очередь молекулами ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), входящими в структуру ядерных хромосом. При этом происходит возбуждение молекул, их ионизация, разрыв химических связей. Разрушаются ферменты и гормоны, что приводит к физико-химическим сдвигам в организме. Происходит аберрация хромосом. Хромосомы надрываются, разрываются на осколки или структурно перестраиваются. Наблюдаемая тесная зависимость между степенью их аберраций и летальным эффектом облучения свидетельствует о решающей роли поражения ядерного материала в исходе лучевого поражения клеток.

Рассмотрим строение клетки (рис. 5). Клетка состоит из оболочки, ядра и ряда клеточных органелл. Ядро, отделённое от цитоплазмы мембраной, содержит ядрышко и хроматин. Последний представляет собой определенный набор нитевидных частиц – хромосом. Вещество хромосом состоит из нуклеиновых кислот, которые являются хранителями наследственной информации и специальных белков.

Рис. 5. Строение клетки

При воздействии больших доз излучения (как и при воздействии высокой температуры) нарушается целостность ее оболочки и составных частей цитоплазмы, ядро уплотняется, разрывается, но может и разжижаться. Клетки погибают. При небольших дозах излучения наиболее опасным является повреждение ДНК, в которых закодирована структура белков. Повреждение ДНК дает толчок для повреждения генетического кода.

Косвенное воздействие ИИ проявляется в химических реакциях, происходящих в результате разложения или диссоциации воды (организм человека состоит на 85-90 % из воды). Вероятность попадания ионизированной частицы в молекулу воды в 104 раз больше, чем в молекулу белка. Рассмотрим процесс радиолиза воды.

Под действием ИИ в воде образуется положительно заряженный ион воды:

Н 2 О à Н 2 О + + е –

Освободившийся электрон может соединяться с другой молекулой воды, которая приобретает отрицательный заряд:

Н 2 О + е – à Н 2 О –

Разложение положительного иона воды можно записать так:

Н 2 О+ → Н + + ОН*

Водород (Н +) и гидроксильная группа ОН*, обладая большой химической активностью, взаимодействуют с биологическими веществами и вызывают их изменение. При наличии кислорода в воде могут образовываться гидроперекисные радикалы НО 2 и перекись водорода Н 2 О 2 , которые также являются сильными окислителями.

Наличие промежуточного этапа в биологическом действии ИИ (образование продуктов разложения воды) не означает, что это действие не может быть вызвано и прямой ионизацией биологически важных веществ, например белков, ферментов и др.

Очевидно, отношение прямого и косвенного действий ИИ будет меняться в зависимости от конкретных условий облучения, в частности от поглощенной дозы и содержания воды в облучаемом объекте.

В соответствии с убыванием степени радиочувствительности клетки организма можно расположить в такой последовательности:

1) высокая чувствительность : лейкоциты (белые кровяные тельца), кроветворные клетки костного мозга, половые зародышевые клетки семенников и яичников (сперматозоиды и яйцеклетки), клетки эпителия тонкого кишечника;

2) средняя чувствительность : клетки зародышевого слоя кожи и слизистых оболочек, клетки сальных желез, клетки волосяных фолликулов, клетки потовых желез, клетки эпителия хрусталика, хрящевые клетки, клетки сосудов;

3) достаточно высокая устойчивость : клетки печени, нервные клетки, мышечные клетки, клетки соединительной ткани, костные клетки.

На тканевом уровне наиболее радиочувствительными в организме будут интенсивно делящиеся, быстро растущие и мало специализированные ткани, например, кроветворные клетки костного мозга, эпителий слизистой оболочки тонкого кишечника и эпителий кожи. В коже возникает фиброз (фибро́з (лат. fibrosis) - уплотнение соединительной ткани с появлением рубцовых изменений в различных органах, возникающее, как правило, в результате хронического воспаления. Наименее радиочувствительными будут специализированные слабо обновляющиеся ткани, например, мышечная, костная, нервная. Исключением являются лимфоциты, отличающиеся высокой радиочувствительностью. В то же время ткани, резистентные к непосредственному действию ИИ, оказываются весьма уязвимыми в отношении отдаленных последствий.

ИИ может быть однократным, фиксированным и хроническим.

Клетки при воздействии не смертельной для них дозы способны к репарации , т.е. восстановлению. Не все повреждения ДНК равнозначны по последствиям радиационного воздействия. Восстановление одиночных разрывов нитей ДНК происходит достаточно эффективно. Например, в клетках млекопитающих скорость репарации половины радиационных одиночных разрывов составляет ~ 15 мин. Вероятно одиночные разрывы нитей ДНК не являются причиной гибели клеток в отличие от двойных разрывов нитей и повреждений оснований. При дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждается 5000 оснований молекул ДНК, возникает 1000 одиночных и 10-100 двойных разрывов. Различают три вида репараций:

1) безошибочные репарации, основанные на замене поврежденного участка ДНК, т.е. полное восстановление нормальной функции ДНК;

2) ошибочные репарации, приводящие к потере или изменению части генетического кода;

3) неполные репарации, при которых непрерывность нитей ДНК не восстанавливается.

Два последних вида репараций приводят к возникновению мутаций т.е. видоизменению в клетках. Мутации могут усиливать, уменьшать или качественно изменять признак, определяемый геном . Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, обычно представляющая собой часть молекулы ДНК.

Последствия возникновения мутаций не так велики в соматических (неполовых) клетках организма в отличие от мутаций в половых клетках. Мутация в соматической клетке может привести к нарушению функции или даже гибели этой клетки или ее потомков. Но поскольку каждый орган состоит из многих миллионов клеток, влияние одной или нескольких мутаций на жизнедеятельность всего организма не будет значительным. Однако соматические мутации впоследствии могут явиться причиной раковых заболеваний или преждевременного старения организма.

Мутации, происходящие в половых клетках, могут оказать губительное действие на потомство: ведут к гибели потомства или вызывают появление потомства с серьезными аномалиями.

Клетки семенников находятся на разных стадиях развития. Наиболее радиочувствительные клетки – сперматогонии, наиболее радиорезистентные – сперматозоиды. После однократного облучения дозой 0,15 Гр количество спермы может уменьшиться. После облучения дозой 3,5–6 Гр наступает постоянная стерильность. При этом семенники являются единственным исключением из общего правила: доза, полученная в несколько приемов для них более опасна, чем та же доза, полученная за один прием.

Яичники менее чувствительны к действию радиации, по крайней мере, у взрослых женщин. Но воздействие однократного облучения дозой 1–2 Гр на оба яичника вызывает временное бесплодие и прекращение менструаций на 1–3 года. При остром облучении в диапазоне доз 2,5–6 Гр развивается стойкое бесплодие. Хотя еще большие дозы при дробном облучении никак не сказываются на способности к деторождению.

Если большие дозы облучения приводят к прекращению всех обменных процессов в клетке и даже к разрушению клетки, т.е. ее фактической гибели, то при облучении небольшими дозами часто происходит подавление способности клеток делиться, что называется репродуктивной гибелью . Клетка, утратившая способность делиться, не всегда имеет признаки повреждений, она может еще долго жить и после облучения. В настоящее время считается, что большинство острых и отдаленных последствий облучений организма – результат репродуктивной гибели клеток, которая проявляется при «попытке» таких клеток разделиться.

Радиация по самой своей природе вредна для жизни. Малые дозы облучения могут «запустить» не до конца еще изученную цепь событий, приводящих к раку или генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма.

Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, обыкновенно проявляются в течение нескольких часов или дней. Раковые заболевания, однако, проявляются спустя много лет после облучения, - как правило, не ранее чем через одно-два десятилетия. А врожденные пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, по определению проявляются лишь в следующем или последующих поколениях (рис. 6).

В то время как идентификация быстро проявляющихся («острых») последствий от действия больших доз облучения не составляет труда. Обнаружить отдаленные последствия от малых доз облучения почти всегда оказывается очень трудно. Но даже и обнаружив какие-то отдаленные эффекты, требуется еще доказать, что они объясняются действием радиации, поскольку и рак, и повреждения генетического аппарата могут быть вызваны не только радиацией, но и множеством других причин.

Чтобы вызвать острое поражение организма, дозы облучения должны превышать определенный уровень, но нет никаких оснований считать, что это правило действует в случае таких последствий, как рак или повреждение генетического аппарата. По крайней мере, теоретически для этого достаточно самой малой дозы. Однако, в то же время, никакая доза облучения не приводит к этим последствиям во всех случаях. Даже при относительно больших дозах облучения далеко не все люди обречены: действующие в организме человека репарационные механизмы обычно ликвидируют все повреждения. Точно так же любой человек, подвергшийся действию радиации, совсем не обязательно должен заболеть раком или стать носителем наследственных болезней; однако вероятность или риск наступления таких последствий у него больше, чем у человека, который не был облучен. И риск этот тем больше, чем больше доза

облучения.

Рис. 6. Радиационные эффекты

Острое поражение организма человека происходит при больших дозах облучения. Вообще говоря, радиация оказывает подобное действие, лишь начиная с некоторой минимальной, или «пороговой», дозы облучения.

Величина дозы, определяющая тяжесть поражения организма, зависит от того, получает ли ее организм сразу или в несколько приемов. Большинство органов успевает в той или иной степени залечить радиационные повреждения и поэтому лучше переносит серию мелких доз, нежели ту же суммарную дозу облучения, полученную за один прием.

Разумеется, если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Дозы облучения порядка 100 Гр вызывают настолько серьезное поражение центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах облучения от 10 до 50 Гр при облучении всего тела поражение центральной нервной системы может оказаться не настолько серьезным, чтобы привести к летальному исходу, однако облученный человек, скорее всего, все равно умрет через одну-две недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте. При еще меньших дозах может не произойти серьезных повреждений желудочного тракта или организм с ними справится, но смерть может наступить через один-два месяца с момента облучения из-за разрушения клеток красного костного мозга - главного компонента кроветворной системы организма. От дозы 3-5 Гр при облучении всего тела умирает примерно половина всех облученных. Таким образом, в этом диапазоне высокие дозы облучения отличаются от меньших лишь тем, что смерть в первом случае наступает раньше, а во втором - позже.

Красный костный мозг и другие элементы кроветворной системы наиболее уязвимы и теряют способность нормально функционировать уже при дозах облучения 0,5–1 Гр. К счастью они обладают также замечательной способностью к регенерации, и если доза облучения не столь велика, чтобы вызвать повреждения всех клеток, кроветворная система может полностью восстановить свои функции.

Желудочно-кишечный тракт. Желудочно-кишечный синдром, приводящий к гибели при облучении дозами 10–100 Гр, обусловлен в основном радиочувствительностью тонкого кишечника. Далее по снижению радиочувствительности следуют полость рта, язык, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень.

Сердечно-сосудистая система. В сосудах большей радиочувствительностью обладает наружный слой сосудистой стенки, что объясняется высоким содержанием коллагена – белка соединительной ткани, который обеспечивает выполнение стабилизирующей и опорной функций. Сердце считается радиорезистентным органом, однако при локальном облучении в дозах 5–10 Гр можно обнаружить изменения миокарда. При дозе 20 Гр отмечается поражение эндокарда.

Органы дыхания. Легкие взрослого человека – стабильный орган с низкой пролиферативной активностью, поэтому последствия облучения легких проявляются не сразу. При локальном облучении может развиться радиационная пневмония, сопровождающаяся гибелью эпителиальных клеток, воспалением дыхательных путей, легочных альвеол и кровеносных сосудов. Эти эффекты могут вызвать легочную недостаточность и даже гибель в течение нескольких месяцев после облучения грудной клетки. При однократном воздействии гамма-излучении ЛД50 для человека составляет 8–10 Гр.

Мочевыделительная система. Влияние облучения на почки, за исключением высоких доз, проявляется поздно. Облучение в дозах более 30 Гр за 5 недель может привести к развитию хронического нефрита.

Орган зрения. Наиболее уязвимой частью глаза является хрусталик. Погибшие клетки становятся непрозрачными, а разрастание помутневших участков приводит сначала к катаракте, а затем и к слепоте. Помутневшие участки могут образоваться при дозах облучения 2 Гр, а прогрессирующая катаракта – около 5 Гр. Наиболее опасным в плане развития катаракты является нейтронное облучение.

Нервная система. Нервная ткань высоко специализирована и, следовательно, радиорезистентна. Гибель нервных клеток наблюдается при дозах облучения свыше 100 Гр.

Эндокринная система. Эндокринные железы характеризуются низкой скоростью обновления клеток и у взрослых в норме являются относительно радиорезистентными, однако в растущем или пролиферативном состоянии они значительно более радиочувствительны.

Костно-мышечная система. У взрослых костная, хрящевая и мышечная ткани радиорезистентны. Однако в пролиферативном состоянии (в детском возрасте или при заживлении переломов) радиочувствительность этих тканей повышается.

На популяционном уровне радиочувствительность зависит от следующих факторов:

Особенностей генотипа (в человеческой популяции 10–12% людей отличаются повышенной радиочувствительностью);

Физиологического (например, сон, бодрствование, усталость, беременность) или патофизиологического (например, хронические заболевания, ожоги, механические травмы) состояний организма;

Пола (мужчины обладают большей радиочувствительностью);

Возраста (наименее чувствительны люди зрелого возраста).

При внутриутробном периоде развития плода высокая радиочувствительность обусловлена его малодифференцированными тканями, что проявляется врожденными пороками развития, нарушением физического и умственного развития, снижением адаптационных возможностей организма.

Дети также крайне чувствительны к действию радиации. Относительно небольшие дозы при облучении хрящевой ткани могут замедлить или вовсе остановить у них рост костей, что приводит к аномалиям развития скелета. Суммарной дозы порядка 10 Гр, полученной в течение нескольких недель при ежедневном облучении достаточно, чтобы вызвать аномалии развития скелета. По-видимому, такое воздействие ИИ не имеет никакого порогового эффекта.

3.2. Основные особенности биологического действия
ионизирующих излучений

1. Высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.

2. Действие ионизирующих излучений на организм не ощутимы человеком, поэтому человек может проглотить, вдохнуть радиоактивное вещество без каких либо первичных ощущений (дозиметрические приборы являются как бы дополнительным органом чувств, предназначенным для восприятия ионизирующего излучения).

3. Наличие скрытого, или инкубационного, периода проявления действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Его продолжительность сокращается при больших дозах.

4.Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться (эффект кумуляции). Этот процесс тоже происходит без видимых эффектов.

5. Излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект.

6. Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0.02-0.05 Р уже наступают изменения в крови.

7. Не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.

8. Облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционированное.