Биологическое действие ионизирующего излучения. Радиочувствительность разных тканей организма

1. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ. РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ РАЗНЫХ ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА. Лекция доцента Туманской Натальи Валери

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ.
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
РАЗНЫХ
ТКАНЕЙ
ОРГАНИЗМА.
Лекция доцента Туманской Натальи Валериевны

2.

Основное свойство ионизирующего излучения,
обусловливающее его биологическое действие —
способность проникать в различные ткани, клетки и
субклеточные структуры.
Одна из важнейших характеристик ИИ, определяющая
его поражающие особенности — проникающая
способность, т.е. глубина проникновения в
биологический материал. Зависит от природы
излучения, заряда и энергии частиц, состава и
плотности облучаемого вещества.
Важнейшая характеристика ионизирующих излучений
— их доза.
С её помощью определяют количество энергии,
падающей на объект за период облучения
(экспозиционная доза), и величину энергии
излучения, переданной облучаемому веществу
(поглощённая доза или доза облучения).

3. ДОЗИМЕТРИЯ

ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА — количественная характеристика
ионизирующей способности излучения в воздухе,
измеряют количеством образованных зарядов в воздухе,
выражают в Кл в кг воздуха или в рентгенах .
ПОГЛОЩЁННАЯ ДОЗА — величина энергии ионизирующего
излучения, передаваемая облучённому веществу.
Выражают в радах или греях.
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА - мера выраженности эффекта
облучения и равна поглощенной дозе, умноженной на
коэффициент качества данного вида излучения.
ЭФФЕКТИВНАЯ ДОЗА - представляет собой сумму
взвешенных эквивалентных доз во всех тканях и органах
тела. Выражают в зивертах и бэрах.

4.

Относительная биологическая эффективность
(ОБЭ)
— показатель, используемый для сравнения биологического
действия различных видов ионизирующего излучения.
Количественная оценка ОБЭ — её коэффициент (К0БЭ):
отношение дозы данного и «стандартного» (рентгеновского)
излучения, обладающих равным биологическим эффектом при
одинаковой поглощённой дозе.
Увеличение ОБЭ, т.е повышение поражаемости клеток и угнетение
их способности к восстановлению, отмечают при возрастании ЛПЭ
излучений до определённой пороговой величины (100-120 кэВ).
При дальнейшем повышении ЛПЭ относительная биологическая
эффективность излучений быстро снижается, так как избыток
энергии расходуется «вхолостую», поглощаясь в уже поражённых
структурах клетки.
Величина ОБЭ зависит не только от вида излучения и его ЛПЭ, но и
от избранного критерия оценки тяжести лучевого поражения и
условий действия радиации (величина и мощность дозы, наличие
или отсутствие кислорода и т.д.).

5.

Величина
биологического
эффекта
радиации
зависит
от:
• проникающей
способности
• количества поглощённой
энергии
• особенности её
пространственного
распределения в тканях
биообъектов - плотности
ионизации
• времени

6. СТАДИИ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ

ФИЗИЧЕСКАЯ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ
ХИМИЧЕСКАЯ
БИОЛОГИЧЕСКАЯ

7. ФИЗИЧЕСКАЯ СТАДИЯ

поглощение энергии излучения
облучаемой средой с
возбуждением и ионизацией
её молекул.
Длительность 10-16 с

8. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ СТАДИЯ

поглощенная энергия перераспределяется между возбуждёнными и ионизированными молекулами, разрушая химические
связи,а в микроокружении появляются новые ионы и свободные радикалы. На процессы радиолиза расходуется до 30%
поглощённой энергии. Помимо воды, радиолизу подвержены
молекулы биоорганических
веществ клетки — фосфолипиды, ДНК, белки, что ведёт к
возникновению органических
радикалов, также обладающих
неспаренными электронами и,
следовательно, чрезвычайно
реакционноспособных.

9. ХИМИЧЕСКАЯ СТАДИЯ

Свободные радикалы вступают в химические
реакции между собой и с другими
молекулами. Образуются— супероксидный
анион, гидропероксид, пероксид водорода,
атомарный и синглетный кислород— сильные
окислители органических веществ.
При воздействии продуктов
радиолиза воды на аминокислоты,
белки, углеводы, нуклеотиды,
фосфолипиды, ДНК образуются
органические свободные радикалы.

10.

ПОВРЕЖДЕНИЯ ДНК:
нарушение структуры азотистых оснований
появление одно- и двунитевых разрывов ДНК
сшивок ДНК—ДНК и ДНК—белок
нарушений комплексов ДНК с другими
молекулами
Большая часть поглощённой
энергии ионизации расходуется на разрушение структуры
оснований ДНК, около 10-20%
— на разрыв её сахарофосфатного остова.

11.

Повреждения важнейших биоорганических молекул —
результат как прямого, так и косвенного действия радиации .
Под прямым действием понимают пострадиационные
эффекты, которые возникают в результате поглощения
энергии ионизирующих излучений молекулами —
«мишенями», происходит инактивация непосредственно
поглотивших энергию молекул.
Косвенные эффекты радиации реализуются через
воздействие на биосубстрат продуктов радиационного
разложения воды и органических веществ клетки, в основном
свободных радикалов.
Происходит повреждение реакционноспособными
соединениями, возникшими при радиационно-химических
реакциях.
Для биомолекул количественный вклад непрямого действия
радиации в конечный радиобиологический эффект — 50—80%.

12. КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ

— усиление радиационного повреждения ДНК, белков, липидов и других
биоорганических молекул в присутствии кислорода и металлов переменной
валентности: число повреждений оснований ДНК увеличивается в 3 раза; в
2,5 раза увеличивается количество однонитевых и двойных разрывов ДНК.
В реализации «кислородного эффекта» важнейшую роль играют активные
кислородсодержащие соединения: активные формы кислорода, активные
соединения азота
и продукты ПОЛ.
Кислород ведёт себя
двояко: усиливая
первичные процессы
повреждения в момент
воздействия излучения, он одновременно стимулирует процессы
внутриклеточного
восстановления
после облучения.

13.

Активные формы кислорода: супероксидный анионрадикал,
гидроксид-, пергидроксидрадикалы и нейтральные молекулы —
пероксид водорода и кислород.
Супероксид —осуществляет своё повреждающее действие на
биомолекулы через вторичные формы: гидроксильный радикал,
пероксид водорода, и кислород. Супероксид, активно взаимодействуя
с моноксидом азота (N0), образует чрезвычайно токсичный
пероксинитрит, с которым связаны цитотоксические и
цитогенетические эффекты. Пероксинитрит способствует
необратимому повреждению мембранных липидов, молекул ДНК,
белков и углеводов. Активные соединения азота, взаимодействуя с
липидами, активируют самоускоряющиеся цепные реакции их
перекисного окисления. Продукты ПОЛ (аллоксил- и
пероксилрадикалы, эпоксиды, кетоны, альдегиды) взаимодействуют с
основаниями ДНК, образуя оксиаддукты, которые ведут к изменениям
структуры хроматина, обладают цито-, генотоксическим
и канцерогенным действием.
ПЕРВИЧНЫЕ РАДИОТОКСИНЫ: гидроксильный радикал, пероксид
водорода, пероксинитрит, акролеин, кротоновый альдегид, играющие
основную роль в непрямом повреждающем действии ИИ на ДНК и
биологические мембраны.

14. ХИМИЧЕСКАЯ СТАДИЯ

ХИМИЧЕСКАЯ
Нарушения
структуры
белков:
разрывы
дисульфидных
мостиков,
водородных
связей,
пептидной
цепи,
образование
сшивок между
пептидными
цепями.
СТАДИЯ

15. АКТИВАЦИЯ ПОЛ

Нарушения структуры:
митохондрий
лизосом
эндоплазматического
ретикулума
Нарушение функции:
барьерной
рецепторносигальной
регуляторной
транспортной

16.

Повреждение мембран лизосом и выход
за их пределы протеаз способствуют в
ранние сроки после облучения
активации процессов протеолиза.
Нарушается активность
ингибиторов протеаз.

17.

Три типа пострадиационных
повреждений ядерной ДНК:
- изменения в каждой из цепей, не нарушающие её
пространственную непрерывность (однонитевые
разрывы, повреждения оснований и др.);
- повреждения, приводящие к нарушению
пространственной (информационной)
непрерывности молекулы (двухнитевые или
двойные разрывы);
- нарушения вторичной структуры и
надмолекулярной организации.

18. БИОЛОГИЧЕСКАЯ СТАДИЯ

Формирование
повреждений на
клеточном,
тканевом, органном
и организменном
уровнях,
формирование
отдаленных
последствий
облучения.
Длительность
этой стадии - часы,
недели, годы –
сотни лет…

19. РЕПРОДУКТИВНАЯ ГИБЕЛЬ КЛЕТКИ

РЕПРОДУКТИВНАЯ ГИБЕЛЬ
характерна для быстроделящихся
КЛЕТКИ
малодифференцированных клеток
Причина - нерепарированные повреждения ДНК, прежде
всего двойные разрывы цепей
и повреждения ДНК-мембранного комплекса. Некоторые типы
аберраций механически препятствуют делению клетки, другие
ведут к неравномерному разделению хромосомы, утрате генетического материала и гибели
клетки из-за нехватки метаболитов, чей синтез кодировался
утраченным фрагментом –
летальные.

20.

ИНТЕРФАЗНАЯ ГИБЕЛЬ
КЛЕТКИ
Характерна для клеток с ограниченной способностью к
делению – это малые лимфоциты, тимоциты, ооциты и
неделящихся (нервных и мышечных) или редкоделящихся
(гепатоциты).
Три типа интерфазной гибели клеток:
- гибель неделящихся или ограниченно делящихся клеток
типа лимфоцитов при облучении «малыми» дозами (порядка
нескольких десятков сГр - нескольких Гр);
•гибель
неделящихся
(нейроциты,
миоциты)
или
редкоделящихся (гепатоциты) клеток, облучённых дозами
порядка десятков и сотен Гр;
•гибель делящихся клеток после облучения очень высокими
дозами (десятки — сотни Гр) до вступления в митоз.

21. ИНТЕРФАЗНАЯ ГИБЕЛЬ КЛЕТКИ

НЕКРОЗ
АПОПТОЗ
НЕКРОЗ:
-активация ПОЛ
-выход лизосомальных протеаз и нуклеаз
в цитоплазму и проникновение их в ядро
-деградация нуклеопротеидных
комплексов в ядре
-пикноз ядра
-цитолиз с выходом содержимого клетки
за пределы клеточной мембраны

22. АПОПТОЗ

особенно характерен для интерфазной гибели
лимфоидных клеток, клеток кроветворной ткани.
Межнуклеосомная
деградация
хроматина,
проявляющаяся
позднее
фрагментацией
ядра. Распад
цитоплазмы с
образованием
«апоптотических
телец»

23. Степень радиочувствительности

1.Лимфоидная
2.Миелоидная
3.Эпителий:
- герминативный
4.Мышечная - кишечный
5. Нервная
- покровный
6.Хрящевая
7.Костная

24. Радиочувствительность

органа зависит от его функционального состояния
Радиочувствительность
во внутриутробном периоде
развития обусловлена
высокой чувствительностью
малодифференцированных тканей
плода, что проявляется:
врожденными пороками развития,
- цитогенетическими и соматостохастическими эффектами,
- нарушением физического и
умственного развития,
- снижением адаптационных
возможностей организма.

25. КРИТИЧЕСКИЕ ОРГАНЫ

-это жизненно важные органы и системы,
которые повреждаются первыми в данном диапазоне доз,
что обусловливает гибель организма в определенные сроки
после облучения.
именно их повреждение определяет:
- преимущественный тип лучевых реакций
- специфику и время их проявления
- значимость для выживания или гибели
организма в определенные сроки после
облучения.

26.

РАДИАЦИОННЫЕ ФОРМЫ:
Костномозговая
Желудочно
кишечная
Церебральная

27.

Действие ионизирующих излучений на кожу
Ранние эффекты связаны с
повреждением эпидермиса,
поздние — с повреждением
дермы и подлежащих слоёв кожи.
В эпидермисе наиболее радиочувствительны стволовые
клетки базального слоя и клетки эндотелия сосудов
дермы.
Облучение блокирует деление стволовых клеток,
вследствие чего прекращается поступление новых
элементов в последующие слои эпидермиса. Поскольку
продвижение созревающих и функционирующих клеток и
их физиологическая потеря с поверхности кожи
продолжаются после облучения с прежней скоростью, то
по мере того, как число стволовых клеток падает до нуля,
происходят отслаивание эпидермиса и оголение дермы.