Ефект дії малих доз іонізуючого випромінювання

При дії різних типів іонізуючого випромінювання на біологічні середовища відбувається передача енергії малими кінцевими порціями (квантами) під час окремих актів взаємодії з речовиною. Для іонізації опромінюваного біологічного середовища необхідна мінімальна величина енергії, яка визначається середнім поте­нціалом іонізації (табл. 10.3).

При дії іонізуючого випромінювання в першу чергу іонізу­ють­ся молекули води – найбільш поширеного середо­вища будь-якого біологічного об’єкту, які перетворюються у вільні радикали Н і ОН. Як зазначалося, вільні радикали мають високу хімічну активність і всту­пають в реакції безпосередньо з біологічними молеку­лами. Починається ланцюгова реакція, коли в хімічні взаємодії вступає все більше молекул. Викликані іонізу­ючим випромі­нюванням біохімічні реакції приводять до змін у ділянках клі­ткових структур (ДНК, мембрани, хроматиди тощо). При не­великих дозах опромінення захис­ні механізми організму від­новлюють пошкодження в ДНК, виводять з організму пошко­джені клітини, нейтралізують їх системою імунного захисту. При великих дозах опромі­нен­ня захисна система організму не в змозі ліквідувати наслідки іонізації, що приводить до по­рушення нормальної життєдіяльності клітин, тканин, органів і організму в ціло­му.

Таблиця 10.3

Біологічне середовище     середовищесередовище	Середній потенціал іонізації, еВ (еВ)
Вода
М’язи
Кістки
Повітря

Клітина, в якій іонізуючим випромінюванням виклика­ні онкогенні зміни, тривалий час може залишатись в стані спо­кою. Для прояви її змінених властивостей необхідна дія на клітину активаторів (промоторів), які викличуть її приско­ре­ний поділ. В організмі всього налічується приблизно 10¹⁴ клітин. Завжди є в наявності певна кількість ініційованих клітин, із яких тільки одиниці утворюють клани злоякісних клітин. Із збіль­шенням числа опромінень зростає кількість ініційованих клі­тин. Повторна радіаційна дія для цих клітин може служити промотором. Це пояснює кумулятив­ну дію іонізуючого ви­промінювання на біологічний об’єкт з точки зору ризику від­далених ймовірних (стохастичних) наслід­ків.

Викликані зміни в генетичному апараті соматичних клі­тин можуть привести до переродження клітин в злоякіс­ні. Зміни в генетичному апараті статевих клітин в осіб дітонароджуваного періоду життя можуть привести до спадкових змін у нащадків опромінених.

Ведучими міжнародними організаціями по оцінці радіа­ційного фактору (Міжнародна комісія з радіаційного захис­ту – МКР3, Міжнародне агентство з атомної енергії – МАГАТЕ, Науковий комітет по дії атомної радіації при ООН – НКДАР ООН) приймається модель безпорогової лінійної залежності між дозою опромінення і її ефектом. Це передбачає, що навіть мінімальна радіаційна дія володіє біо­логічним ефектом, зокрема радіаційним канцерогенезом. Та­кий підхід базується на ймовірній (стохастичній) природі ка­нцерогенезу. За оцінками ризик смертності від раку, викли­каного радіаційним фоном порядку 1 мЗв / рік, відпо­від­но лінійній концепції складає приблизно 10 випадків на 1 млн. чоловік за рік. Це підтверджується даними, наведеними в табл. 10.2. До питання про лінійність залежності “доза-ефект” ми ще повернемося нижче.

На думку багатьох дослідників найбільш чутливою до іонізуючо­го випромінювання структурою клітини є ДНК, в якій іонізація може викликати розрив зв’язку між атомами. Одиночні і по­двійні розриви викликають хромосомні спот­во­­рен­ня (абера­ції). Поява хромосомних аберацій передує злоякісним пухли­нам. Наявність хромосомних аберацій в лімфоцитах периферійної крові є ознакою передлейкозного стану, відповідає по­чатковому етапу реакції на променеве навантаження.

Говорячи про ефект малих доз іонізуючого випромі­нювання, слід брати до уваги ще один дуже важливий фактор – тривалість їх дії. Дійсно, одну і ту ж саму, ска­жімо, поглинену (або еквівалентну) дозу можна отримати при відносно малих потужностях доз за рахунок збільшення часу їх взаємодії з речовиною (біооб’єктом, зокрема). Сказане підтверджується формулою

D = Р ₁ × t ₁ = Р ₂ × t ₂ = const. (10.39)

Звідси випливає досить очевидний факт: одне і те ж саме дозове навантаження іонізаційного випромінювання має місце для випадків, коли відношення потужностей доз оберненопропорційне часовим інтервалам дії цих потужностей, тобто

. (10.40)

Приклад. Нехай потужність еквівалентної дози є досить малою: Р ₁ = 50 мкбер/год (приблизно тільки втричі більшою за природне фонове значення). Тоді еквівалентна доза цього випромінювання буде такою ж, як і випромінювання з суттєво більшою потужністю еквівалентної дози
Р ₂ = 180000 мкбер/год = 50 мбер/с (потужність Р ₂ більш ніж в 10 тисяч разів перевищує природне значення) за умови, що тривалість дії випромінювання малої потужності t ₁ складає 10 годин, тоді як тривалість дії випромінювання великої потужності t ₂ складає лише 10 с. Для даного прикладу маємо Р ₁ = Р ₂ / 3600, t ₁ = 3600 t ₂, так що для обох випадків добуток потужності еквівалентної дози на час, тобто сумарна еквівалентна доза є величина стала:
P ₁ t ₁ = P ₂ t ₂ = 0.5 мбер.

Ця ситуація значною мірою еквівалентна згаданій вище в 10.4.3 ситуації з популяційною дозою іонізуючого випро­мі­ню­вання, а саме: медико-біологічні ефекти (зокрема, кількість ракових захворювань) залишається сталою при одночасному пропорційному збільшенні еквівалентної дози D_екв та зменшенні чисельності N людської популяції, що опромінюється (D_екв× N = const).

І останнє зауваження щодо дії малих доз випроміню­вання на біооб’єкти. Воно стосується досить спірного і не до кінця з’ясованого явища підсилення дії фізико-хімічних (та, мабуть, і медико-біологічних) факторів при прямуванні параметрів, які характеризують цей фактор (наприклад, концентрації речовини тощо) до нуля. Іншими словами, мова йде про те, що не можна просто екстраполювати результати, які отримані при великих значеннях параметрів (концентрації, доз і т.п.) на малі значення цих параметрів, тобто сподівання на прямопропорційне зменшення біологіч­ного ефекту при зменшенні поглиненої дози не є апріорі вірним.

З математичної точки зору ефект підсилення часто опису­єть­ся такою формулою:

А (С) ~ ln C, (10.41)

де А – певна властивість(фактор), а С – відповідна змінна (параметр). Прикладом може бути наведена в розділі 6 залежність хімічного (електрохімічного) потенціалу від концентрації, що дається виразом

D m = R T ln C. (10.42)

З формул (10.41) і (10.42) безпосередньо випливає, що якщо концентрація С прямує до нуля, то величина | A | або |D m | прямують до нескінченості. Більш уважний аналіз досить тонких математичних нюансів отримання подібних логарифмічних особливостей А (С) або D m (С) показує, що просто так прямувати змінну С до нуля не можна (через використання так званої формули Стірлінга, яка перестає бути вірною при С ® 0). Разом з тим тенденція до збільшення фактору А при зменшенні параметра С (хай не до нуля) залишається.

Подібні ефекти спостерігаються в фізико-хімічних дослід­женнях деяких розчинів. Мабуть, саме вони лежать в основі дії гомеопатичних препаратів, а також в дії іонізуючого випромінювання в малих дозах на біологічні об’єкти. Звичайно, вкрай необхідно з’ясування особли­востей молекулярних механізмів дії малих доз випромі­ню­вання, що потребує подальших теоретичних і експеримен­тальних досліджень з боку фахівців різних галузей знань.