Ионизирующее излучение — это вид энергии, который способен вызывать ионизацию атомов и молекул вещества, т.е. удаление одного или нескольких электронов с образованием ионов. В медицинской физике основное внимание уделяется следующим видам ионизирующего излучения:
Фотонное излучение взаимодействует с веществом через фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние и образование пар, в зависимости от энергии кванта. Корпускулярное излучение теряет энергию в среде в основном за счёт кулоновских взаимодействий с электронами атомов среды, и его ионизирующая способность зависит от массы, заряда и энергии частиц.
Механизмы взаимодействия радиации с тканями организма обуславливают характер биологического эффекта, который может проявляться на различных уровнях — от молекулярного до органного.
При прохождении ионизирующего излучения через живую ткань происходят первичные взаимодействия, приводящие к следующим процессам:
Образование ионов: H2O + γ → H2O+ + e−
Образование свободных радикалов: H2O+ → H+ + ⋅OH
e− + H2O → ⋅H + OH−
Возбуждение молекул с последующим распадом
Эти процессы происходят в течение 10⁻¹⁶–10⁻¹² секунд после облучения и являются основой радиационного воздействия на биомолекулы.
Особенно важна радиолиз воды, так как вода составляет около 70–80% массы клетки. Образующиеся активные формы кислорода и радикалы могут вступать в реакции с белками, липидами, нуклеиновыми кислотами.
ДНК является основной мишенью для ионизирующего излучения в клетке. Повреждения делятся на:
Наиболее критичными являются двухцепочечные разрывы, поскольку они труднее поддаются репарации и могут приводить к хромосомным аберрациям или клеточной гибели.
Радиационное воздействие может реализовываться по двум основным путям:
Косвенное действие преобладает при облучении фотонными излучениями и электронами, а прямое — при облучении тяжелыми заряженными частицами и ионами.
В зависимости от дозы и условий облучения, клетка может:
Эти последствия являются результатом сложного взаимодействия между повреждениями, механизмами репарации ДНК и сигналами клеточного цикла.
Радиочувствительность определяется способностью клеток к делению и их уровнем дифференцировки. Согласно закону Бергонье и Трибондо, наибольшей чувствительностью обладают:
Менее чувствительны:
Наименее чувствительны:
Острые эффекты возникают в течение часов или дней после однократного или кратковременного облучения:
Отсроченные эффекты проявляются спустя месяцы или годы:
В радиобиологии различают:
Примеры пороговых доз:
6 Гр — тяжелая, часто летальная
10 Гр — немедленная смерть без медицинского вмешательства
Клетка обладает множеством систем восстановления поврежденной ДНК:
Фармакологическая радиозащита может достигаться с помощью радиопротекторов, таких как аминтиол (WR-2721), а также средствами радиомодификации — гипертермии, гипербарической оксигенации и др.
Ионизирующее излучение может вызывать мутации в соматических и половых клетках, включая точечные мутации, делеции, транслокации. Эти изменения могут проявляться как:
Классическим примером является рост заболеваемости онкологией среди выживших после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки.
Критическим называется орган, ограничивающий величину дозы при лечебном облучении. Для защиты пациентов и персонала применяются предельно допустимые дозы (ПДД):
Эти нормативы основываются на принципах радиационной защиты: обоснованность, оптимизация (принцип ALARA) и ограничение доз.
На различных этапах внутриутробного развития радиационное облучение может приводить к:
Наиболее уязвимым считается период 4–15 недель гестации, когда формируются основные структуры мозга и органов. Пороговые дозы составляют 0.1–0.2 Гр.
LET — это количество энергии, передаваемой среде на единицу пути частицей. Высокий LET характерен для:
Высокий LET вызывает плотную ионизацию вдоль трека частицы, что ведет к множественным повреждениям ДНК и снижает эффективность репарации. Поэтому высоко LET-излучение считается более биологически эффективным (выражается через коэффициент относительной биологической эффективности, RBE).