Воздействие ии на организм человека

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИИ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА кандидат геолого-минералогических наук, доцент О.А. Максимова ОСНОВНАЯ ЗАДАЧА РАДИОБИОЛОГИИ ВСКРЫТИЕ ОБЩИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОТВЕТА НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ИИ ГИГИЕНИЧЕСКАЯ РЕГЛАМЕНТАЦИЯ РАДИАЦИОННОГО ФАКТОРА УПРАВЛЕНИЕ ЛУЧЕВЫМИ РЕАКЦИЯМИ ОРГАНИЗМА РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС Несоответствие между ничтожной величиной поглощённой дозы и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта ТИМОФЕ́ЕВ-РЕСО́ВСКИЙ Николай Владимирович (1900-81) российский биолог, генетик, один из основоположников популяционной и радиационной генетики, основатель радиационной биогеоценологии Даниил Гранин «ЗУБР» ТРИ ЭТАПА РАЗВИТИЯ РАДИОБИОЛОГИИ • Первый – с 1895 по 1922 гг. – описательный этап, связанный с накоплением данных и первыми попытками осмысления биологических реакций на облучение. • Второй – с 1922 по 1945 гг. – становление фундаментальных принципов количественной радиобиологии, накопление данных по зависимости доза – эффект. • Третий – с 1945 г. по настоящее время – развитие количественной радиобиологии на всех уровнях биологической организации. ОРГАНЫ ТКАНИ КЛЕТКИ МОЛЕКУЛЫ 𝑶𝑯− 𝐻2 𝑂2 𝐻2 𝑂 H𝑂2 Ионом называется чаще всего атом (но иногда и молекула) , в котором (или которой) общее число электронов не равно общему числу протонов. Ион всегда заряжен (положительно, если протонов больше, и отрицательно, если электронов больше) . Определение иона совершенно ничего не говорит о том, как должна быть устроена его валентная электронная оболочка. Свободный радикал - это атом, молекула или ион, имеющие непарный электрон на незавершенной валентной оболочке. Свободный радикал может быть заряжен или нейтрален. Самое главное - наличие этого самого неспаренного электрона (хотя бы одного) на внешней "недоделанной" оболочке. Как правило, эта конфигурация обеспечивает радикалу повышенную химическую активность. ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИИ • РАДИОЛИЗ (от-лат. radio - излучаю и греч. lysis - разложение, распад), химические процессы деструктивного характера, протекающие при поглощении веществом энергии ионизирующего излучения Прямое действие излучений ответственно за 10-20% лучевого поражения Косвенное действие излучений, при котором поражение критических структур осуществляется продуктами радиолиза окружающей их воды, ответственно за 8090% лучевого поражения. Идея усиления лучевых поражений со временем Именно косвенное действие радиации усиливается или ослабляется с помощью химических модификаторов ФОТОН ИЛИ ЧАСТИЦА МОЛЕКУЛА ИЛИ АТОМ ИОННЫЕ ПАРЫ СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Стадия Процессы Поглощение энергии излучения; Физическая образование ионизированных и возбужденных атомов и молекул. Перераспределение поглощенной энергии Физиковнутри молекул и между ними, образование химическая свободных радикалов. Реакции с участием свободных радикалов. Образование широкого спектра молекул с Химическая измененными структурой и функциональными свойствами. Последовательное развитие поражения на всех уровнях биологической организации от Биологическая субклеточного до организменного; включение процессов биологического усиления и процессов восстановления. Продолжительность 10–16 - 10-15 с 10-14 - 10-11 с 10-6 - 10-3 с секунды - годы ПРИНЦИП ПОПАДАНИЯ исходит из физических свойств ионизирующих излучений: ИИ обладают огромной дискретной энергией, величина которой значительно превосходит энергию любой химической связи; энергия поглощенных живой системой фотонов или заряженных частиц полностью (прямо или косвенно) растрачивается на возбуждение и ионизацию атомов и молекул. ПРИНЦИП МИШЕНИ исходит из понимания особенностей живой системы:  в биологический объектах не существует структур, испытывающих преимущественное поглощение энергии ИИ (размер);  неоднородные элементы клетки, поглотившие одну и ту же энергию излучения, по истечении времени претерпевают изменения, приводящие к различным по степени и биологической значимости повреждениям. Стохастическая теория • Учитывает, как физиологические, так и радиационно-индуцированные процессы в их динамике. • При облучении объекта на свойственную ему биологическую стохастичность накладывается стохастичность вследствие случайного характера взаимодействия излучения с веществом, что резко увеличивает вероятность «крушений» системы, происходящих и в необлученном контроле, хотя и со значительно меньшей частотой. КЛЕТОЧНЫЕ МИШЕНИ • Доза излучения — количественная характеристика ионизирующего излучения величина, используемая для оценки степени воздействия ионизирующего излучения на любые вещества, живые организмы и их ткани. Порог - это уровень доз, выше которых наблюдаются те или иные проявления действия излучений. Детерминированные эффекты имеют дозовый порог, а клиническая тяжесть поражения возрастает с увеличением дозы. ЛБ. Стохастические эффекты – эффекты, для которых с увеличением дозы облучения возрастает вероятность появления. К ним относят индукцию ЗНО и генетические изменения в потомстве. РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ • Степень реакции клеток, тканей, органов или организмов на воздействие ионизирующего излучения. • Мерой количественной оценки радиочувствительности является доза облучения, при которой возникает регистрируемый эффект. • ЛД50 − доза, приводящая к гибели 50% особей. БИОЛОГИЧЕСКИЙ ВИД ЛД𝟓𝟎 , Гр Человек 2,5 – 4 Овца, собака 2,5 – 3 Кролик, хомяк 9 – 10 Мыши 6 – 15 Птицы, рыбы 8 – 20 Змеи 80 – 200 Насекомые 10 – 100 Растения 10 - 1500 Deinococcus radiodurans 5 000 ВИДОВАЯ РАДИОЧУВСТВИТЕ ЛЬНОСТЬ ИНДИВИДУАЛЬНАЯ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬ НОСТЬ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬ НОСТЬ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ ПРАВИЛО БЕРГОНЬЕ-ТРИБОНДО клетки тем более радиочувствительны, чем большая у них способность к размножению и чем менее определенно выражены их морфология и функции, т.е. чем они менее дифференцированы МИТОЗ Клетки в фазе G0 – потенциал для репопуляции НАИБОЛЕЕ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ КЛЕТКИ • клетки лимфоидного происхождения (ЛД50 ~0,5 Гр); • клетки ткани костного мозга (ЛД50 ~0,9-1,0); • сперматогенный эпителий яичек (ЛД50 ~0,7); • выстилка альвеол молочной железы (ЛД50 ~ 1,3). Соотношение между вероятностью возникновения радиационного эффекта и дозой принято называть зависимость доза-эффект ПОГЛОЩЁННАЯ ДОЗА основополагающая дозиметрическая величина 𝑑𝐸 𝐷= 𝑑𝑚 dE – средняя энергия ионизирующего излучения, поглощённая в единице массы dm вещества Гр (Gy) = Дж/кг 𝑑𝐷 𝑃= 𝑑𝑡 мощность поглощённой дозы, Гр/с, Гр/ч Льюис Харольд Грэй (1905-1965) британский физик, один из основателей радиобиологии. Исследовал биологическую эффективность излучений, ввёл понятие поглощённой дозы Линейная передача энергии мера плотности ионизации вдоль трека падающей частицы 𝐷0 ОБЭ = 𝐷 𝑑𝐸 ЛПЭ = 𝑑𝐿 отношение поглощённой дозы стандартного излучения, которое вызывает определённый биологический эффект, к поглощённой дозе данного излучения, вызывающего такой же эффект Дозы излучения Эквивалентная доза (H) H  D WR Единица измерения зиверт [Зв] (Sv) H  H Эффективная доза (Е) E  Н WT 𝑾𝑹 - взвешивающий коэффициент для отдельных видов излучения; 𝑾𝑻 - взвешивающий коэффициент для тканей и органов. Взвешивающие коэффициенты WR для отдельных видов излучения (НРБ-99) Излучение WR Фотоны любых энергий 1 Электроны любых энергий 1 Нейтроны с энергией <10 кэВ 5 10 20 10 5 от 10 кэВ до 100 кэВ от 100 кэВ до 2 МэВ от 2 МэВ до 20 МэВ более 20 МэВ Протоны с энергией более 2 МэВ 5 Альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра 20 Взвешивающие коэффициенты WT для тканей и органов (НРБ-99) Ткани и органы WT Гонады 0,2 Красный костный мозг 0,12 Лёгкие 0,12 Щитовидная железа 0,05 Кожа 0,01 Всё тело 1 Рольф Максимилиан Зиверт (1896-1966) шведский радиофизик, изучавший воздействие радиационного излучения на биологические организмы, один из родоначальников радиобиологии. Молекулярные аспекты биологического действия ИИ КЛЕТОЧНЫЕ МИШЕНИ КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИИ МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ БМ РЕПАРАЦИЯ ДНК ППОЛ АФК NO ДНК Молекулярные аспекты биологического действия ИИ РАДИАЦИОННО- ИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛ БМ ОН* I. Антирадикальный механизм защиты БМ первичное инициирование цепи +LH L* II. Гипоксический механизм защиты +АФК, О2 вторичное инициирование цепи LO2* LO* III. Антиокислительный механизм защиты +ФЛ БМ L* + LOOH эпоксиды альдегиды кетоны ППОЛ (ЛРТ) NO • Большое содержание полиненасыщенных жирных кислот в фосфолипидах определяет высокую способность БМ к цепным реакциям окисления и образованию новых инициаторов окисления, обладающих оксидазной активностью. • Цепная реакция - это каталитическая циклическая реакция самоускорения, в которой катализатором являются свободные радикалы. • Реакция цепного окисления липидов, инициируемая ионизирующими излучениями, играет важную роль в патологии и гибели клетки. КОНТРОЛЬ ферментативных и неферментативных систем ПРИРОДНЫЕ ОКСИДАНТЫ (ОН*, АФК, ППОЛ, NO) МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ БМ ОТ ОКСИДАТИВНОЙ ДЕГРАДАЦИИ АНТИРАДИКАЛЬНЫЙ ГИПОКСИЧЕСКИЙ АНТИОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ АНТИОКИСЛИТЕЛЬ НЫЙ БУФЕР: • КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ - свойство молекулярного кислорода, присутствующего в клетках и тканях, усиливать биологическое действие ионизирующих излучений. • Кислород является эффективным радиомодификатором, он обладает радиосенсибилизирующим эффектом. • Количественным выражением повышения радиочувствительности в присутствии кислорода является коэффициент кислородного усиления (ККУ). РАДИАЦИОННОЕ ПОРАЖЕНИЕ ДНК Одиночные разрывы Репарация одиночных разрывов ДНК является эффективным и быстропротекающим процессом • снижение клоногенного потенциала • мутации • злокачественное перерождение • апоптоз Двойные разрывы • транслокация по длине • образование мостов • образование ацентрического фрагмента • образование ДНКбелковых сшивок • образование некомплементарных оснований ПРОЯВЛЕНИЯ ЛУЧЕВОГО ПОРАЖЕНИЯ НА УРОВНЕ КЛЕТКИ • Радиационная задержка клеточного деления • Хромосомные аберрации и микроядра • Утеря клеткой клоногенного потенциала • Некроз и апоптоз • «Коммунальный эффект» ХРОМОСОМНЫЕ АБЕРРАЦИИ нестабильные •фрагменты •дицентрики •кольца стабильные БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДОЗИМЕТРИЯ • Метод хромосомных аберраций принят МАГАТЭ в 1986 г. в качестве официального метода биологической дозиметрии. • Основой радиационной биодозиметрии по аберрациям хромосом является количественная зависимость образования аберраций в лимфоцитах периферической крови и костном мозге от дозы излучений. • Тест проводят в культуре лимфоцитов периферической крови. НЕКРОЗ И АПОПТОЗ «Коммунальный эффект» или «эффект свидетеля» • При непосредственном контакте • При нахождении в одном культуральном сосуде • При контакте со средой Опосредованный (дистанционный) эффект in vitro и in vivo Радиобиология организма • Детерминированные • Стохастические эффекты эффекты Кроветворный, 40 суток Радиационные синдромы Желудочно-кишечный, 8 суток Церебральный, 3 суток КМ-синдром Опустошение костного мозга начинается тотчас после облучения и неуклонно продолжается, достигая минимума, что соответствует началу его регенерации у выживших особей Кишечный синдром Оголение ворсинок Инфекционные процессы Поражение кровеносных сосудов Нарушение баланса жидкостей и электролитов Церебральный синдром Отсутствие клеточных потерь Функциональн ые реакции ЦНС не влияют на исход лучевого поражения ЛУЧЕВАЯ БОЛЕЗНЬ ЧЕЛОВЕКА - комплекс проявлений поражающего действия ионизирующих излучений на организм Зависит от следующих факторов: • вида облучения – внешнее или внутреннее; • поглощенной дозы; • временного фактора – однократное, повторное, острое или хроническое; • пространственного фактора – равномерное или неравномерное (общее, тотальное, или местное, локальное). ОЛБ возникает в результате однократного тотального внешнего относительно равномерного облучения • 1-2 - Гр ОЛБ I (лёгкой) степени. Выживание вполне вероятно без специального лечения; • 2-4 Гр – ОЛБ II (средней) степени. Выживание возможно, несмотря на тяжелое поражение, при своевременном квалифицированном лечении; • 4-6 Гр – ОЛБ III (тяжёлой) степени и • > 6 Гр - ОЛБ IV (крайне тяжёлой) степени. Выживание маловероятно, несмотря на медицинский уход и самую совершенную терапию. Характерная черта ОЛБ – строгая периодичность клинического течения Период формирования ОЛБ можно разделить на четыре фазы: • общей первичной реакции; • кажущегося клинического благополучия (скрытая, или латентная фаза); • выраженных клинических проявлений (фаза разгара болезни); • раннего восстановления. ОЛБ I (лёгкой) степени ПЕРВИЧНАЯ РЕАКЦИЯ СКРЫТЫЙ ПЕРИОД Продолжитель ность 1-3 дня. Слабость, головная боль, тошнота, рвота Продолжитель ность 3-5 недель. Состояние вполне удовлетворите льное РАЗГАР БОЛЕЗНИ ИСХОД БОЛЕЗНИ Состояние Выздоровление удовлетворите через 1-2 мес., льное. полное Слабость, восстановление головная боль, состава крови тошнота через 2-4 мес. ОЛБ II (средней) степени ПЕРВИЧНАЯ РЕАКЦИЯ То же; эмоциональное возбуждение, переходящее в депрессию СКРЫТЫЙ ПЕРИОД РАЗГАР БОЛЕЗНИ ИСХОД БОЛЕЗНИ Выздоровление Продолжительно через 2-3 месяца, сть 2-3 недели. Продолжительнос восстановление Общая слабость, ть 2-3 недели. крови через 3-5 бессонница, Состояние мес. В результате повышение удовлетворительн осложнений температуры до ое, но отмечается возможен 380С, кожные слабость, смертельный кровотечения, бессонница исход (в 20% инфекционные случаев) через 2-6 осложнения недель ОЛБ III (тяжёлой) степени ПЕРВИЧНАЯ РЕАКЦИЯ Продолжительно сть 2-4 суток. Через 10-60 минут многократная неукротимая рвота в течение 48 часов, резкая слабость, жажда, расстройство желудка, повышение температуры до 39oС. СКРЫТЫЙ ПЕРИОД РАЗГАР БОЛЕЗНИ ИСХОД БОЛЕЗНИ Продолжительно сть до 10 суток. Слабость, бессонница, головная боль Продолжительно сть 2-3 недели. Состояние тяжелое, озноб, температура до 400С, кровоизлияния и кровотечения, истощение, инфекционные септические осложнения Выздоровление возможно при своевременном лечении через 510 месяцев. При осложнениях смерть наступает через 10-35 суток ОЛБ IV (крайне тяжёлой) степени ПЕРВИЧНАЯ РЕАКЦИЯ Через 10-15 минут неукротимая рвота в течение 56 часов, помутнение сознания, диарея, температура до 39oС. СКРЫТЫЙ ПЕРИОД ОТСУТСТВУЕТ РАЗГАР БОЛЕЗНИ ИСХОД БОЛЕЗНИ При дозах 6-10 Гр тяжелый костномозговой синдром и выраженное поражение кишечника. лечение может в редких случаях обеспечить выживание При дозах 10-20 Гр – тяжелое кишечное поражение. смерть через 816 суток При дозах 20-80 Гр тяжелые сосудистые расстройства и метаболические нарушения. При дозах выше 80 Гр – тяжелое поражение ЦНС смерть на 4-7 сутки смерть через 172 часа Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ) • развивается в результате продолжительного облучения в дозах, суммарно достигающих 1,0-3,0 Гр при интенсивности облучения (мощности дозы) порядка 0,001-0,005 Гр/сут; • сроки развития проявлений ХЛБ зависят от мощности дозы и варьируют от нескольких месяцев до 1-3 лет. При ХЛБ • стабильные в клеточно-кинетическом отношении системы (нервная, сердечнососудистая, эндокринная) отвечают на хроническое лучевое воздействие сложным комплексом функциональных реакций и крайне меленным нарастанием незначительных дистрофических изменений РАДИОТОКСИКОЛОГИЯ ИНГАЛЯЦИОННЫЙ путь ПЕРОРАЛЬНЫЙ путь ДЕРМАЛЬНЫЙ путь Критический орган • получает наибольшую дозу; • играет наиболее важную роль в организме; • обладает наибольшей радиочувствительностью РАДИОАКТИВНЫЕ ГАЗЫ, ПЫЛЬ, АЭРОЗОЛИ (ТУМАН, ДЫМ) РН ОРГАНОТРОПНЫЕ СКЕЛЕТНЫЙ ТИП: Sr, Ra РЕТИКУЛОЭНДОТЕЛИАЛЬНЫЙ: Th, Am ДИФФУЗНЫЕ Cs, K, C ОРГАНОСПЕЦИФИЧ НЫЕ: I, Tc ОСОБЕННОСТИ • Тропность конкретных РН к определённым органам и тканям (критическим) • Неравномерность облучения (наиболее интенсивно – орган поступления и органы основного депонирования) • Протяжённый характер облучения ОТДАЛЁННЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ • Соматические: сокращение продолжительности жизни (ускоренное радиационное старение), ЗНО, катаракта, др. • Генетические: • генные мутации (полидактилия, гемофилия); • хромосомные мутации (синдром Дауна, гибель эмбриона, физические дефекты, умственная отсталость); • мультифакториальные расстройства (врождённые уродства, диабет, др.) ЛЕЧЕБНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ИИ • Задача лучевой терапии рака – подавление способности опухолевых клеток к неограниченному размножению (подавление клоногенного потенциала) • Корпускулярная терапия – облучение ускоренными протонами, ионами гелия и углерода (когда опухоль находится вблизи критических тканей) • Техническое и биологическое направления ЗАЩИТА ОТ ИИ • Внешнее • Внутреннее • Комбинированное • Временем • Расстоянием • Количеством • Экранирование • Защита от пыли • Профилактика дефицита I, K, Ca • Химическая • Физическая • Биологическая ПРАВИЛА ПОВЕДЕНИЯ • выходите из помещения только в случае необходимости и на короткое время, используя при этом респиратор, плащ, резиновые сапоги и перчатки; • на открытой местности не раздевайтесь, не садитесь на землю и не курите, исключите купание в открытых водоемах и сбор лесных ягод, грибов; • территорию возле дома периодически увлажняйте, а в помещении ежедневно проводите тщательную влажную уборку с применением моющих средств; • перед входом в помещение вымойте обувь, вытряхните и почистите влажной щеткой верхнюю одежду; • тщательно мойте перед едой руки и полощите рот 0,5%-м раствором питьевой соды. ПРАВИЛА ПИТАНИЯ • • • • • • Все овощи и фрукты тщательно мыть. С капусты снимать 3-4 верхних листа, с моркови и свеклы снимать венчик (верхушку). Картофель лучше не жарить, а варить, предварительно очистив от кожуры. Загрязненное молоко переработать на сливки, творог, сметану, сыр, сливочное масло. Мясо длительное время (до 12 часов) вымачивать в подсоленной воде (2 столовые ложки соли на литр воды), можно добавить немного уксуса. Воду сменить несколько раз. Практически не содержит радионуклидов сало. Загрязненную рыбу тоже нужно вымачивать в подсоленной воде (3 столовые ложки на литр воды). Трижды менять раствор каждый час. Бульон готовить из мяса, а не из костей. После закипания через 8-10 минут первый отвар слить, залить мясо (или рыбу) свежей водой и варить до готовности. Воду употребляйте только из проверенных источников