Патогенное действие лучистой энергии. Ультрафиолетовое и лазерное излучение, ионизирующая радиация

Допущено
Всероссийским учебно - методическим центром
по непрерывному медицинскому и фармацевтическому образованию
Министерства здравоохранения Российской Федерации
в качестве учебника для студентов медицинских институтов

3.1. Виды излучений

Лазеры - монохроматическое излучение в области от инфракрасных до ультрафиолетовых (длина волны более 760 нм или менее 400 нм).
Ультрафиолетовое излучение (длина волны менее 480 нм).
Ионизирующая радиация (альфа- и бета- частицы и гамма-лучи).

Наименьшая проникающая способность у ультрафиолетовых лучей (задерживаются кожей), затем - у лазерных лучей (проникающая способность 2-2,5 см, т.е. кожа и подкожные слои), у ионизирующей радиации: альфа-частицы задерживаются кожей, бета-частицы проникают на глубину 2-2,5 см, гамма-лучи беспрепятственно проходят через все тело.

3.2. Молекулярные механизмы повреждающего действия излучений

Твердо установленным фактором является то, что первичные поражения при действии излучений разных видов развиваются на уровне клетки в результате физико-химических реакций и биологических последствий. Биологические эффекты излучения зависят от дозы и продолжительности действия, изменяющих выраженность физико-химических взаимодействий излучения с молекулами. При действии различных видов излучения на биологические объекты можно различить два механизма: прямой и непрямой.

3.2.1. Прямой механизм [показать]

Прямой механизм при ультрафиолетовом и лазерном излучениях связан с возбуждением атомов. При этом переход электрона на более отдаленные от ядра орбиты приводит к повышению реакционноспособности таких атомов. В целом, это вызывает повышение химической активности функциональных групп белков, азотистых оснований нуклеиновых кислот. В результате они вступают в химические реакции между собой. Например, образуются двойные кольца пиримидиновых оснований (Рис. 3), необратимые сшивки ДНК с белком, разрывы нити ДНК, что и составляет молекулярную природу мутаций. Происходит и повреждение белковой молекулы.
Прямое действие ионизирующей радиации, обладающей во много раз большей энергией, в противоположность ультрафиолетовому и лазерному излучениям, связано не с возбуждением атомов, а с их ионизацией (поэтому и излучение называется ионизирующим), вследствие выталкивания электрона с внешней орбитали. При действии на биологические молекулы патологические последствия такие же, что и при ультрафиолетовом и лазерном излучениях (повреждение белковой молекулы, мутации).
3.2.2. Непрямой механизм [показать]
Непрямой эффект излучений обнаруживается при действии на водные растворы биомакромолекул. Организм представляет именно такой пример: фактически "это 70 кг воды, поставленных на ноги". Первый этап непрямого действия излучения - образование свободных радикалов и перекисное окисление липидов биомембран. В организме быстрее всего ионизации подвергается вода. В процессе ее ионизации образуются свободные радикалы следующих типов: Н⁺, ОН^-. Дальнейшие патологические изменения связаны с действием этих продуктов радиолиза воды. Подтверждением этому является высокая радиоустойчивость белков-ферментов в лиофилизированном состоянии.

3.3. Виды патологического действия свободных радикалов

Свободные радикалы Н⁺ и ОН^- могут прямо взаимодействовать с наиболее реакционноспособными тиоловыми группами белка, вызывая инактивацию белков-ферментов или нарушение функций структурных белков. Взаимодействие с азотистыми основаниями ДНК приводит к мутациям. Эти реакции протекают в анаэробных условиях.

В присутствии кислорода, наряду с радиолизом воды, возможно образование О^-₂ (суперокисного радикала), ведущего к образованию гидроксильного радикала (ОН) и запуску свободно-радикальной реакции окисления липидов в присутствии атмосферного кислорода. Реакции этого типа имеют решающее значение для патогенеза многих патологических состояний, т.к. они приводят к поражению биологических мембран, что в данном случае составляет биологический этап действия излучений. Известно, что биомембраны представляют собой "липидное озеро, в котором плавают айсберги белков". Липиды обуславливают барьерную функцию внешних (плазматических) и внутренних (митохондрии, лизосомы, эндоплазматический ретикулум) мембран клетки для водорастворимых веществ.

Последствия повреждения бпомембран:

Повышение проницаемости плазматических мембран приводит к нарушению мембранного потенциала и выходу внутриклеточных ферментов, витаминов и микроэлементов в кровь.
Поступление внутрь клетки натрия, набухание митохондрий, нарушение их энергетической функции.
Перекисное окисление липидов мембран лизосом вызывает увеличение их проницаемости и выход внутрь клетки лизосомных ферментов, что является для клетки гибельным т.к.:
- лизосомные ферменты вызывают дальнейший распад макромолекул, в том числе белка, нуклеиновых кислот;
- наряду с этим, происходит и выход из тучных клеток БАВ, вызывающих нарушение микроциркуляции и кровообращения в органах и тканях. Продукты распада тканей оказывают дальнейший токсический эффект.
Ядерные мембраны - повреждение ядра и генетического материала.

Особенно хорошо действие излучения изучено на генетическом материале. При достаточно больших дозах происходит угнетение митотической активности клеток, что является одним из важнейших проявлений биологического действия излучения. Отсюда понятна чувствительность опухолевых и других быстро пролиферирующих тканей к действию излучений. В первую очередь, излучение затрагивает из этих быстро пролиферирующих тканей лимфоидную ткань, слизистую тонкого кишечника, костный мозг, половые железы, опухолевую ткань.

Клинические непосредственные и отдаленные последствия

Непосредственно после воздействия. Например, ионизирующая радиация вызывает лучевую болезнь, лазерное излучение - повреждение сетчатки глаза, ультрафиолетовое излучение - ожог кожи и склеры глаз, слизистой ротовой полости, губ.
Отдаленные последствия. В результате поражения соматических клеток возникают соматические мутации, ведущие к образованию злокачественных опухолей. При мутации генофонда клеток половых желез возникают генетические дефекты, передающиеся по наследству.

3.4. Ультрафиолетовое (УФ) излучение

Воздействию УФ-излучения человек подвергается от естественных (солнце) и искусственных источников (в промышленности, больницах и биологических лабораториях, школах).

Виды УФ излучения:

УФ-С (200-280 нм) - не оказывает серьезного повреждающего действия, т.к. поглощается слоем озона в стратосфере;
УФ-В (280-320 нм) - обладает наибольшим влиянием на организм;
УФ-А (280-400 им) - о нем известно меньше всего, само по себе не обнаруживает биологического эффекта, но в присутствии ряда химических веществ (тетрациклины) оказывает фототоксическое, фотоаллергическое, фотоконцерогенное действия.

Благотворный эффект УФ - хорошо доказывается "от противного" появлением световой недостаточности за Полярным кругом, в плохих социальных условиях (вспомним "Дети подземелья" В.Короленко), характеризующихся дефицитом витамина Д и развитием рахита у детей с нарушением лицевого скелета, кариеса в результате нарушения обмена фосфора и кальция. Поэтому УФ используется в стоматологии при лечении хейлитов, острых гнойных процессов челюстно-лицевой области, для улучшения регенераторных процессов вообще.

3.4.1. Вредные эффекты УФ

3.4.1.1. Местные острые. К ним относятся "солнечный ожог" кожи, слизистой полости ртa, конъюнктивы и роговицы глаза. Патогенез: УФ увеличивает образование свободных радикалов и активирует перекисное окисление липидов, что вызывает повреждение мембран лизосом и высвобождение их протеолитических ферментов, а также повреждение мембран мастоцитов (тучных клеток) с освобождением биологически активных веществ (гистамина, лейкотриенов), вызывающих гиперемию, отек, некроз клеток, т.е. картину воспаления. Защитный механизм от действия УФ - это загар, который представляет собой миграцию меланина из базальных слоев кожи в поверхностные, где он отражает свет. Поражение глаз протекает в форме фотокератита и фотоконъюнктивита (сварщики, альпинисты). Характерный симптом - чувство "песка" в глазу. Патогенез тот же. Но защитных механизмов, как у кожи, нет. Клинические проявления обычно проходят через 48 часов.
3.4.1.2. Местные хронические. К ним причисляют "старение" кожи, воспалительные изменения губ (хейлиты). Работающие на открытом воздухе (рыбаки, сельхозрабочие, дорожники) часто выглядят старше, чем служащие. Патогенез: дегенерация коллагена кожи, слизистой губ в результате повреждающего действия УФ.

3.4.2. Общее действие УФ излучения

Другое патологическое состояние, связанное с действием УФ, гораздо более грозное и называется пигментная склеродермия, завершающаяся летальным исходом уже в юношеские годы. Это заболевание связано с патологической мутацией структурного гена, кодирующего биосинтез ДНК-эндонуклеазы.

Вернемся к механизмам генетического гомеостаза, их фактически два:

Мы уже говорили о системе иммунного надзора, которая распознает и элиминирует мутировавшие и ставшие чужеродными клетки.
Кроме этого механизма, действующего на уровне целого организма, есть другой, работающий непосредственно на уровне ДНК - это ферментативный механизм ликвидаций повреждений ДНК. В ходе эволюции возникли защитные механизмы гомеостаза, среди которых значительную роль играет способ ферментативной ликвидации повреждений, вызванных в ДНК человека УФ излучением. Механизм этот функционирует по принципу "вырезать и сшить" (Рис. 5).
Так вот, разрезание мутированного участка ДНК, удаление продукции фотореакции УФ излучения и ДНК по границе с нормальным участком ДНК осуществляется эндонуклеазой. Затем возникший в нити ДНК промежуток восстанавливается в ходе ресинтеза ДНК-полимеразой, а концы сшиваются лигазой. В результате неправильного функционирования этой системы патологические мутации, возникающие при действии УФ, не удаляются. Особо высокой чувствительностью к УФ обладают люди, страдающие пигментной склеродермией. У них на открытых участках кожи образуются ожоги, в 50% переходящие в карциному, от которой пациенты и погибают. А в фибробластах кожи при пигментной склеродермии обнаруживается недостаточность ДНК-эндонуклеазы. Ее активность составляет 10-20% нормальной.

3.5. Лазерное излучение

Действие лазерного излучения происходит в стотысячные доли секунды и поэтому не вызывает ощущения боли. Наибольшей чувствительностью к лазерному излучению обладают окрашенные, пигментированные ткани.

Механизмы повреждения действия лазерного излучения: в дополнение к основному, свободнорадикальному (1), предполагается еще и термическое (2), а также кавитационное действие (3).

Термический ожог, может быть связан с тем, что ткань просто поглощает энергию ИК части спектра излучения, что может привести к тепловой инактивации белка (потеря третичной структуры - кипячение).

Кавитационное действие - связано с быстрым повышением температуры до уровня, при котором происходит быстрое испарение жидкой части клетки. Это приводит к своеобразному взрыву - образованию микрополости с повышенным давлением и распространяющейся от нее в стороны ударной волны, разрывающей ткани. Данный эффект лежит в основе работы лазерного скальпеля.

В то же время, при действии газовых (аргон, гелий, неон) оптико-квантовых генераторов, тоже обладающих повреждающим биологическим действием, происходит увеличение температуры только на 7° С, что исключает термическую природу повреждения и фактор ударной волны.

Поэтому, наиболее вероятным является все-таки свободно-радикальный механизм повреждающего действия лазерного излучения. Образование свободных радикалов было обнаружено в меланинсодержащих тканях и коже черных мышей, а также пигментных участках кожи морских свинок.

3.5.1. Действие лазерного излучения на организм

Глаза - наиболее чувствительный орган. При действии лазерного излучения в области изображения луча на сетчатке происходит обесцвечивание пигмента сетчатки глазного дна. При дальнейшем увеличении энергии происходит разрыв сосудистой оболочки и возникновение подсетчаточных кровоизлияний. По мере увеличения энергии образуется зона некроза палочек и сетчатки с ее отслойкой вокруг дефекта и кровоизлияние в стекловидное тело. Через сутки развивается воспалительная реакция, завершающаяся образованием рубца. При отслойке сетчатки это явление используется для ее "приваривания". Короткое время экспозиции исключает необходимость анестезии. Метод широко используется в Красноярском межобластном центре микрохирургии глаза в клинике имени профессора П.Г.Макарова.

Кожа - другой критический орган по отношению к действию лазерного излучения, но менее чувствительный, чем глаз. Наблюдается четкая прямая зависимость эффекта от пигментации. Это явление используется для удаления татуировок, лазерной рефлексотерапии (иглотерапия).

В области воздействия лазерного излучения возникает эффект, напоминающий ожог. Очень мало известно о хронических воздействиях лазерного излучения на кожу. Вместе с тем, лазерное излучение используется при хронических афтозных стоматитах, при острых воспалительных процессах (ангине и т.д.) с целью стимуляции регенерации.

Опухоли - в опытах на культурах клеток и тканей, на перевиваемых штаммах опухолей животных и человека, удаленных из организма и in situ опухолях человека показано, что при действии лазерных лучей наблюдается их немедленное разрушение, либо регрессия. Считается, что причиной может быть разрушение мембран, инактивация ферментов. Имеющиеся, хотя и скудные факты указывают на то, что лица, которые могут подвергаться воздействию лазерного излучения, должны проходить регулярный медосмотр, включающий тщательное обследование органа зрения.

3.6. Действие ионизирующего излучения на организм

Лучевая терапия, аварии атомных реакторов, ядерный взрыв вызывают лучевую болезнь, что указывает на наличие общих реакций организма на лучевое воздействие. Ионизирующее излучение действует на клетки тем сильнее, чем клетки моложе и менее дифференцированы, чем длительнее они находятся в состоянии митоза. Поэтому наиболее чувствительны кроветворная система, лимфоузлы, селезенка, костный мозг, половые железы, слизистая желудочно-кишечного тракта, в том числе слизистая полости рта. Высокой радиоустойчивостью обладает печень, скелет, почки и ЦНС. Так, например, абсолютно смертельной однократной дозой для человека является 600 рентген, а церебральная форма лучевой болезни возникает от применения очень больших доз, начиная с 10000 рентген и более. При взрыве атомной и нейтронной бомб на расстоянии 5 км от эпицентра возможно возникновение церебральной формы (резкое увеличение проницаемости биомембран клеток ЦНС - судороги, немедленный паралич).

3.6.1. Стадии лучевой болезни: формирование - восстановление - последствия

В формировании острой лучевой болезни различают 3 периода:

Период первичных реакций - стресс-реакция развивается через несколько часов (длится до 1-2 суток). В этот период усиливаются обменные процессы, причиной чего является стимуляция САС и системы гипоталамус - гипофиз - кора надпочечников в ответ на стресс - воздействие ионизирующей радиации. Клинически это проявляется в усилении функции основных органов: тахикардия, рвота и тенезмы, гиперемия слизистых, возбуждение.
Скрытый период - период кажущегося благополучия (длительность в зависимости от дозы). Задержка митотической активности стволовых клеток костного мозга. Клиническое благополучие, поэтому диагноз - только по крови: угнетение всех ее ростков, так как гибнет стволовая (материнская) клетка, дающая начало эритроцитам, лейкоцитам, тромбоцитам.
Период выраженных клинических проявлений. В нем различают 3 основных формы острой лучевой болезни:
- церебральная (см.выше).
- костно-мозговая (вызывает доза до 1000 рентген, развивается через 10-14 дней). Наиболее характерно для этой формы угнетение кровотворения в костном мозге вплоть до панмиелофтиза: резкое уменьшение в крови тромбоцитов, эритроцитов, лейкоцитов и лимфоцитов. С этим связаны клинические проявления: кровоизлияния в коже и слизистых, внутренних органах, анемия и гемическая гипоксия, вторичные иммунодефицитные состояния и присоединение инфекций.
- кишечная (вызывает доза 1000-2000 рентген, развивается через 7-10 дней у человека и через 3-5 дней у животных). Наиболее характерно поражение слизистых, в т.ч. и кишечника ("облысение", т.е. потеря эпителиальными клетками щеточной каемки, покрывающей микроворсинки тонкого кишечника). Выраженная диарея приводит к изотонической дегидратации и метаболическому ацидозу, т.к. кишечный сок изотоничен плазме крови и имеет щелочной характер: нарушению всасывания мономеров белков, углеводов, липидов: повышению проницаемости слизистой кишечника, сопровождающейся проникновением бактериальной аутофлоры в кровь (токсемия).

3.6.1.2. Стадия восстановления

Стадия восстановления характеризуется восстановлением нормальных тканей за счет "островков" регенерации, т.е.сохранившейся ткани.

3.6.1.3. Стадия отдаленных последствий

В результате поражения лимфоидной системы возможно развитие вторичного иммунодефицита - онкогенно опасная ситуация (т.к. не будет распознавания и элиминирования мутаций), минимальная сопротивляемость инфекции;
Поражение костного мозга - стойкие изменения в кроветворных органах, ведущие к анемии, тромбоцитопении, лейкопении;
Воздействие на половые железы - стерилизация, наследственные заболевания.

С учетом стадии последствий программа мониторинга (слежения) за здоровьем населения в регионе Чернобыля разрабатывается на 100 лет.

3.6.2. Использование излучений в медицине

Использование излучений в медицине многообразно. Можно привести следующие примеры:

Лечение опухолей, гипертиреоза.
Стерилизация продуктов питания, белья и инструментов.
Метод меченых атомов - включение радиоактивного элемента, не изменяет свойств веществ, дает возможность проследить его судьбу в организме, ход течения биохимических и физиологических процессов, в которые включается меченое соединение (содержание гормонов, ОЦЭ).
Стимуляция процессов регенерации тканей (лазерное, ультрафиолетовое излучения), образование активной формы витамина Д.