Радиобиология

Физико-биологические основы радиобиологии

Ионизирующее излучение подразделяется на корпускулярное (альфа-, бета-, протоны, нейтроны) и фотонное (рентгеновское и гамма-излучение). Все виды излучения обладают способностью ионизировать атомы вещества, то есть выбивать электроны из их оболочек. Основные механизмы взаимодействия — возбуждение, ионизация, тормозное излучение, фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар.

Энергия, передаваемая ионизирующим излучением биотканям, определяется линейной передачей энергии (ЛПЭ, или LET — Linear Energy Transfer). Излучения с высокой ЛПЭ (альфа-частицы, нейтроны) создают плотные ионизационные следы, в то время как излучения с низкой ЛПЭ (гамма, рентген) распределяют энергию более диффузно. Это различие имеет принципиальное значение для биологического эффекта.

Первичные физические процессы в биологической среде

Поглощённая энергия приводит к образованию первичных ионов и возбуждённых молекул. Водная среда организма (вода составляет около 70% массы тела) подвергается радиолизу, при котором образуются активные свободные радикалы — гидроксильный (•OH), водородный (•H), супероксидный (O₂•⁻). Эти радикалы являются основными носителями повреждающего действия на молекулярном уровне.

Повреждение ДНК: прямой и непрямой механизмы

Прямое повреждение происходит при непосредственном взаимодействии ионизирующего излучения с молекулой ДНК — ионизация или возбуждение её атомов вызывает разрыв цепей, мутации, кросс-связи между нитями или белками.

Непрямой механизм реализуется через продукты радиолиза воды. Свободные радикалы, особенно •OH, обладают высокой реакционной способностью и атакуют ДНК, белки, липиды. Более 60% повреждений ДНК обусловлены именно непрямыми эффектами.

Типы радиационных повреждений ДНК

Одноцепочечные разрывы (SSB) — повреждение одной из нитей ДНК. Часто восстанавливаются эффективно с помощью эндонуклеаз и ДНК-полимераз.
Двухцепочечные разрывы (DSB) — наиболее опасный тип повреждения. Нередко ведёт к хромосомным аберрациям и клеточной гибели.
Перекисное окисление липидов (ПОЛ) — приводит к нарушению целостности мембран.
Белковые модификации — окисление или деструкция белковых структур может нарушать клеточные функции и ферментативную активность.

Клеточные ответы на радиационное воздействие

Репарация

Клетки обладают различными системами репарации:

Базовая эксцизионная репарация (BER) — устраняет одиночные повреждения оснований.
Нуклеотидная эксцизионная репарация (NER) — устраняет более крупные повреждения, включая тиминовые димеры.
Гомологичная рекомбинация (HR) и негомологичное соединение концов (NHEJ) — два основных механизма восстановления двухцепочечных разрывов.

Апоптоз

Если повреждения не могут быть исправлены, активируются сигнальные пути запрограммированной клеточной смерти. Это предотвращает злокачественную трансформацию и является защитным механизмом организма.

Радиочувствительность тканей и органов

Радиочувствительность зависит от множества факторов:

Клеточный цикл: наиболее чувствительны клетки в митозе и интерфазе G₂.
Степень пролиферативной активности: быстро делящиеся клетки (костный мозг, слизистая, эпителий) наиболее уязвимы.
Дифференцировка: менее дифференцированные клетки более чувствительны.
Кислородный эффект (эффект Грея): наличие кислорода усиливает радиационное повреждение (за счёт фиксации радикалов).

Ранжирование тканей по чувствительности:

Высокая: лимфоидная ткань, костный мозг, половые клетки.
Средняя: кожа, эндотелий, хрящевая ткань.
Низкая: нервная ткань, мышцы.

Дозовые эффекты и радиобиологические параметры

Поглощённая доза (Гр) характеризует количество энергии, переданное массе ткани. Для оценки биологического действия также используют:

Эквивалентная доза (Зв) — учитывает тип излучения (через коэффициент качества).
Эффективная доза (Зв) — взвешенная по чувствительности различных органов.

Основные дозовые пороги:

0,1–1 Гр — сублетальные эффекты.
1–2 Гр — лёгкие симптомы острой лучевой болезни.
2–4 Гр — умеренная степень тяжести.
>6 Гр — высокий риск летального исхода без лечения.

Острая и хроническая лучевая болезнь

Острая лучевая болезнь (ОЛБ)

Развивается при кратковременном воздействии доз >1 Гр. Выделяют следующие фазы:

Продромальная — тошнота, рвота, слабость.
Латентная — временное улучшение.
Разгар клиники — симптомы поражения костного мозга, ЖКТ, ЦНС (в зависимости от дозы).
Исход — выздоровление или смерть.

Хроническая лучевая болезнь

Возникает при длительном воздействии малых доз. Преобладают изменения со стороны кроветворения, иммунной и эндокринной систем, развиваются фиброз, онкогенные процессы.

Стохастические и детерминированные эффекты

Детерминированные эффекты возникают при превышении определённого порога дозы. Характеризуются тяжестью, зависящей от дозы (ожоги, катаракта, аплазия костного мозга).

Стохастические эффекты не имеют порога, вероятность их появления увеличивается с дозой. К ним относятся онкогенные трансформации и генетические мутации. Они особенно значимы при обосновании норм радиационной безопасности.

Онкогенность и мутагенность ионизирующего излучения

Ионизирующее излучение способно вызывать нестабильность генома, точечные мутации, делеции, транслокации, которые могут активировать онкогены или инактивировать гены-супрессоры. Особенно чувствительны детские ткани и эмбриональные клетки.

Основные радиоиндуцированные опухоли:

лейкозы,
щитовидной железы (особенно у детей),
рак молочной железы,
лёгких (при вдыхании радона),
костей (при накоплении радионуклидов).

Радиозащитные меры и принципы

Время: минимизация продолжительности облучения.
Расстояние: увеличение расстояния до источника.
Экранирование: использование свинцовых, бетонных, водных и полимерных защит.
Биологическая защита: антиоксиданты, радиопротекторы (например, цистеамин), введение стабильных изотопов для блокирования включения радиоактивных.

Использование радиобиологических знаний в медицине

Радиационная терапия злокачественных опухолей: оптимизация доз, фракционирование, конформное облучение с учётом радиочувствительности тканей.
Диагностика: обеспечение безопасности при КТ, сцинтиграфии, ПЭТ.
Аварийная медицина: радиационная triage, деконтаминация, введение хелаторов, мобилизация стволовых клеток.

Современные направления радиобиологии

Молекулярная радиобиология: расшифровка путей ДНК-репарации, сигнальных каскадов, эпигенетических изменений.
Радиогеномика: индивидуализация лучевой терапии на основе генетических полиморфизмов.
Пространственно-временная биодозиметрия: моделирование распределения доз в реальных тканях.
Космическая радиобиология: исследование действия тяжёлых ионов и протонов на биосистемы в условиях микрогравитации.