Метаболічні зміни в організмі на всіх рівнях його організації

Теоретичною основою розуміння біологічної дії іонізуючого випромінювання є умовний поділ патогенезу променевих уражень на 2 фази:

• первинної дії іонізуючого випромінювання на молекулярно-клітинному рівні (це іонізація атомів та молекул, первинні фізико-хімічні процеси в організмі, які викликані безпосередньою дією радіації і є пусковим моментом подальших змін);
• фази наступних біологічних процесів на молекулярно-клітинному, тканинному, органному, системному і організменному рівнях регуляції (табл. 2.7).

Табл. 2.7. Види  радіобіологічних ушкоджень у ссавців

1. Молекулярно-клітинний рівень

Великі молекули більш відповідальні за структуру і функції організму. Наприклад, ферменти, які мають сульфгідрильну групу, нуклеопротеїди. Тому їх пошкодження є більш відчутним для організму. Якщо відщепиться водень, атомарний кисень чи перекис відірве водень від 2-х молекул ферменту, то вони можуть з’єднатися через сірку (утворюється дисульфідний зв’язок). В результаті діючі групи переміщуються в середину молекули і вона інактивується. Тому для захисту організму від іонізуючого випромінювання використовуються хімічні з’єднання, які мають SH-групи. Та самі ферменти знаходяться не в вільному стані, а в локусах із ліпопротеїдів і по мірі необхідності поступово проходять через напівпроникливу мембрану. Якщо ж такий локус буде пошкоджений, то утворюється дефект, через який ферменти будуть виходити в більшій кількості, а це приведе до підвищеної ферментації. Внаслідок виникають властиві організму речовини, але у великій кількості, що проявляється інтоксикацією. Наприклад, креатинин є звичайним продуктом розпаду білків. Але якщо він не виводиться при патології нирок, то виникає інтоксикація (уремія). Як вже говорилось, клітини можуть змінитись під дією радіації і навіть загинути. Але це виникає не під час опромінення, а на другому і третьому етапах поділу (тому що дочірні клітини можуть бути не життєздатними). Чутливість клітини до дії іонізуючого випромінювання залежить від багатьох факторів: виду і дози випромінювання (енергії квантів або часток), стадії мітотичного циклу, швидкості відновлювальних   процесів, ступеню оксігенації, вільних сульфгідрильних груп, функціонального стану клітини в момент опромінення. Ядро клітини більш радіочутливе в порівнянні з цитоплазмою. Попадання вже однієї частки в ядро заплідненого яйця комахи викликає загибель зародка, тоді як при проходженні тими ж частками скрізь цитоплазму для досягнення такого ж ефекту їх необхідно 15 мільйонів. Ступінь променевих реакцій тісно пов’язана з парціальною напругою кисню в біосубстраті (табл. 2.8). Це явище отримало назву «кисневого ефекту». Чим менше кисню в клітині, тим менше променеве ураження. Зниження насичення тканин киснем може підвищити стійкість клітини і всього організму до дії радіації в 2-3 рази.

Табл. 2.8. Вплив гіпоксії на виживаність пацюків, опромінених рентгенівськими променями

 
Ще в 1906 році французькі вчені Бергоньє і Трібондо встановили, що чутливість клітин до радіації прямо залежить від їх здатності до поділу і зворотна рівню їх диференціації. Особливо вражаються клітини, які знаходяться в стані підвищеної активності (наприклад, в період синтезу ДНК). Малодиференційовані клітини більш чутливі до опромінення. Із клітинних структур найбільш уразливими до дії іонізуючого випромінювання є ДНК та хромосоми. Все це покладено в основу використання іонізуючого випромінювання з лікувальною метою в онкології.

Але слід відмітити, що разом з цим в клітинах існують відновлювальні системи і відбуваються репараційні процеси в ядерних і цитоплазматичних структурах. Внаслідок цього спостерігається затримка мітозів, частина клітин гине (інтерфазна загибель), частина гине через декілька мітозів (репродуктивна загибель), а частина відновлюється (репарація). Вона залежить від загальної кількості стволових клітин, інтенсивності клітинної проліферації, стану кровообігу і оксигенації клітин.

Розглядаючи питання про радіочутливість тканин, треба також мати на увазі, що загибель частини клітин компенсується діяльністю систем клітинного оновлення. На підставі численних дослідів на тваринах радіологами Блейєром (1954) та Девідсоном (1960) були розроблені математичні методи розрахунку швидкості відновлення променевих уражень тварин і людини. Вони вважають, що тільки 10% сумарної дози, отриманої людиною, приводять до незворотних змін в організмі, останні 90% дози викликають зворотні зміни, які поступово компенсуються організмом. Швидкість відновлення визначається періодом напіввідновлення (Т0,5), коли ліквідується половина ушкоджень. У різних тварин він неоднаковий: у мишей 3-8 діб, у пацюків 6-9 діб, у собак 14-18 діб, у людей 28-30 діб.

Різниця між сумарною дозою опромінення, накопиченою організмом і відновленою за визначений період часу після опромінення, називається залишковою або ефективною дозою опромінення (Деф.). Вважається, що саме ця доза опромінення при багаторазових опроміненнях визначає тяжкість ураження. Тому LD 100/30 при одноразовому опроміненні менша, ніж при фракційному - за рахунок відновлювальних процесів (табл. 2.9).

Табл. 2.9. Летальні дози при одноразовому і фракційному опроміненні DL100/30

2. Тканинний  рівень

Клітини, як відомо, формують тканини, які в свою чергу теж будуть змінюватись під дією іонізуючого випромінювання. Особливо відчутні такі зміни в активно проліферуючих тканинах: лімфоїдній, кровотворній, ендокринній (табл. 2.10).

Вони гинуть при низьких дозах опромінення 1-4 Гр. Це приводить до анемії, лейкопенії і інших порушень. Менш виражені променеві ушкодження і виникають в більш віддалені строки в тканинах, які мало відновлюються (кістковій, хрящовій, м’язовій, жировій). Клітини цих тканин гинуть при дозах 30-100 Гр. Однак, нервова система, незважаючи на високу диференціацію клітин, має високу функціональну радіочутливість. При цьому спостерігаються нейрорефлекторні зміни.

Табл. 2.10. Радіочутливість нормальних тканин
за морфологічними ознаками

3. Органний рівень

При променевому ураженні визначених тканин зміни будуть спостерігатися вже на більш високому рівні – органному. Ступінь радіочутливості органів залежить від ступеню радіочутливості тканин, які їх складають. Серед органів травлення найбільш чутливий тонкий кишечник, а найменш – печінка. Велике значення в радіобіологічних змінах мають об?єм опромінених тканин та опромінення найбільш радіочутливих органів і тканин. Опромінення всього тіла більш уражаюче ніж локальне опромінення однаковою інтегральною дозою. Має теж захисне значення зменшення дози на найбільш чутливі або найбільш важливі (регулюючі) органи, особливо кроветворні (табл. 2.11).

Табл. 2.11. Виживаня мишей після опромінення рентгенівськими променями дозою 9,5 Гр в умовах екранування різних органів на протязі 30 діб

В результаті опромінений орган не може виконувати свої функції. А може статись і навпаки: орган, який більш стійкий до дії радіації, виділяє стільки ж продуктів (гормонів), як і раніше, але орган-ефектор буде уражений і не зреагує на подразнення. Таким чином, буде порушеним зв’язок між окремими органами. А це вже є рівень організму вцілому.

Підвищення функції органу призводить також до підвищення радіочутливості. Наприклад, молочна залоза в період лактації більш чутлива до іонізуючого випромінювання, ніж в звичайному стані. Якщо ж у людини підвищена або знижена функція щитовидної залози, то радіочутливість її також підвищується. Чим це пояснити? При гіпертиреозі висока концентрація гормонів викликає посилення обміну речовин. А в такій ситуації більша вірогідність хімічних реакцій, викликаних іонізуючим випромінюванням. При гіпотиреозі порушена репарація. Найбільш небезпечні променеві ураження нервової, імунної систем, кісткового мозку та інших,  виконуючих регулюючі функції в організмі.

Радіочутливість злоякісних пухлин із різних тканин також різна. Це потребує застосування різної дози для різних новоутворень. Наприклад, для лікування хворих лімфобластомою достатньо дози 4 Гр, а остеогенної саркоми – 10 Гр і більше.