Вы здесь

Лучистая энергия

Ионизирующее излучение

Ионизирующее излучение действует на организм как из внешних, так и из внутренних источников облучения (в случае проникания радиоактивных веществ в организм с пищей, водой, воздухом или через кожные покровы). Возможно комбинированное воздействие внешнего и внутреннего облучения.

Повреждающее действие различных видов радиоактивных лучей зависит от их проникающей активности и, следовательно, от плотности ионизации в тканях. Чем короче путь прохождения луча, тем больше плотность ионизации и сильнее повреждающее действие (табл. 7).

Проникающая способность и плотность ионизации различных видов излучений с энергией в 2 Мэв



Однако физически одинаковые количества поглощенной энергии дают часто разный биологический эффект в зависимости от вида лучистой энергии. Поэтому для оценки степени повреждающего действия ионизирующей радиации на биологические объекты пользуются коэффициентом относительной биологической эффективности (ОБЭ).

Коэффициенты относительной биологической эффективности

Как видно из табл. 8, повреждающее действие альфа-лучей, нейтронов и протонов в 10 раз больше, чем рентгеновых лучей, биологическое действие которых условно принято за 1. Следует, однако, помнить, что эти коэффициенты условны. Многое зависит от выбора показателя, который берется для сравнения биологической эффективности. Например, ОБЭ можно устанавливать по проценту смертности, по степени гематогенных изменений, по стерилизующему действию на половые железы и т. д.

Реакция организма на действие ионизирующего излучения зависит от полученной дозы облучения, продолжительности действия и общего состояния облученного организма (табл. 9).

Зависимость повреждения от интенсивности общего облучения

Для человека абсолютная смертельная доза при однократном облучении составляет около 600 р.

Продолжительность облучения имеет определенное значение в развитии радиоактивного повреждения. При кратковременном воздействии, измеряемом секундами, степень повреждающего действия несколько уменьшается. При воздействии той же дозы излучения, но продолжительностью в несколько десятков минут повреждающее действие увеличивается. Дробное (фракционированное) действие уменьшает смертность. Суммарная доза многократных облучений может значительно превысить однократную смертельную.

Индивидуальная и видовая реактивность организма имеет также большое значение в определении тяжести радиоактивного поражения. В эксперименте на животных отмечаются широкие пределы индивидуальной чувствительности — одни собаки выживают при однократном облучении в 600 р, а другие погибают от 275 р. Молодые, а также беременные животные более чувствительны к ионизирующему облучению. Старые животные также менее резистентны вследствие ослабления у них процессов восстановления.

Механизмы болезнетворного действия ионизирующих излучений. В механизме лучевых повреждений организма человека и животных можно выделить три важных этапа:

  • а) первичное действие радиоактивного излучения;
  • б) влияние радиации на клетки;
  • в) действие радиации на целый организм.

Механизм первичного действия ионизирующих излучений определяется физическими, физико-химическими и химическими процессами, которые возникают в любом биологическом субстрате, находящемся под воздействием радиации.

Физические процессы — ионизирующие излучения, обладая высокой энергией, выбивают на своем пути из атомов и молекул электроны или вызывают их перемещение. Это приводит в течение ничтожно короткого времени (10-16 секунд) к ионизации и образованию возбужденных атомов и молекул. Физико-химические процессы заключаются в том, что ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, обладая большой реактивностью, вызывают образование свободных радикалов. В живых структурах ионизации быстрее всего подвергается вода.

Ионизация сопровождается явлениями рекомбинации возникших частиц. Она особенно сильно выражена при действии таких видов облучения, которые обладают большой плотностью ионизации (альфа-лучи, нейтроны). В процессе радиации воды возникают следующие свободные атомы и радикалы: атомный водород (Н+), гидроксил (ОН+), гидропероксид (НО2) и перекись водорода (Н2О2).

Действие ионизирующей радиации на растворенные в воде вещества в основном осуществляется за счет продуктов радиолиза воды. Так, известна высокая радиоустойчивость веществ в замороженном состоянии или ферментов в высушенном порошкообразном состоянии.

Процесс ионизации касается и макромолекул. Поглощенная энергия может мигрировать по макромолекуле, реализуясь в наиболее уязвимых ее местах. В белках этими местами могут оказаться SH-группы, в ДНК — хромофорные группы тимина, в липидах — ненасыщенные связи.

Влияние радиации на клетки возникает в результате взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот и липидов с водой, кислородом, водородом и др., когда вследствие всех этих процессов образуются органические перекиси и возникают быстропротекающие реакции окисления. Накапливается множество измененных молекул, в результате чего начальный радиационный эффект многократно усиливается. Все это отражается прежде всего на структуре биологических мембран, меняются их сорбционные свойства и повышается проницаемость (в том числе оболочек лизосом и митохондрий). Изменения в мембранах лизосом приводят к освобождению и активации ДНК-азы, РНК-азы, катепсинов, фосфатазы, ферментов гидролиза муконблисахарида и ряда других ферментов.

Высвобождающиеся гидролитические ферменты могут путем простой диффузии достичь любой органеллы клетки, в которую они легко проникают благодаря повышению проницаемости мембран. Под действием этих ферментов происходит дальнейший распад макромолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых кислот и белков. Разобщение окислительного фосфорилирования в результате выхода ряда ферментов из митохондрий в свою очередь приводит к угнетению синтеза АТФ, а отсюда и к нарушению биосинтеза белков.

Таким образом, в основе радиационного поражения клетки лежит нарушение ультраструктур клеточных органелл и связанные с этим изменения обмена веществ. Кроме того, ионизирующая радиация вызывает образование в тканях организма целого комплекса токсических продуктов, усиливающих лучевой эффект — так называемых радиотоксинов. Среди них наибольшей активностью обладают продукты окисления липоидов — перекиси, эпоксиды, альдегиды и кетоны. Образуясь тотчас после облучения, липидные радиотоксины стимулируют образование других биологически активных веществ — хинонов, холина, гистамина — и вызывают усиленный распад белков. Будучи введенными необлученным животным, липидные радиотоксины оказывают действие, напоминающее лучевое поражение.

При достаточно больших дозах облучения изменения в клетках и тканях определяются в основном развитием дегенеративно-деструктивных процессов и структурными изменениями хромосомного аппарата, что ведет к гибели клетки в процессе митоза или к возникновению нежизнеспособного потомства клетки. Угнетение митотической активности клеток является одним из специфических проявлений биологического действия ионизирующей радиации.

Ионизирующее излучение действует на клетки тем сильнее, чем больше их воспроизводящая способность, чем длительнее прохождение митотического процесса, чем клетки моложе и менее дифференцированы. На основании морфологических признаков поражаемости органы и ткани распределяются в следующем нисходящем порядке: лимфоидные органы (лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, лимфоидная ткань других органов), костный мозг, семенники, яичники, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта. Еще меньше поражаются кожа с придатками, хрящи, растущие кости, эндотелий сосудов. Высокой радиоустойчивостью обладают паренхиматозные органы: печень, надпочечники, почки, слюнные железы, легкие.

Степень радиационной поражаемости клеток одного и то же типа зависит от ряда факторов:

  • 1) степени дифференцировки — эмбриональные и недифференцированные клетки поражаются в большей степени, чем образующиеся из них дифференцированные клетки;
  • 2) обмена веществ — усиление интенсивности клеточного метаболизма сопровождается повышением радиочувствительности;
  • 3) митотической активности — активно делящиеся клетки, как правило, более чувствительны, чем неделящиеся. Ядро клетки более чувствительно к радиации, чем цитоплазма;
  • 4) стадии митоза — чувствительность клеток наиболее высока в стадии профазы и метафазы.

Радиочувствительность резко меняется на разных этапах филогенетического развития. Поражаемость животных излучением уменьшается в следующем порядке, эмбрион, плод, молодое животное, взрослый организм.

Действие ионизирующего излучения на организм в целом. Болезнетворный эффект ионизирующей радиации в целом определяется как непосредственным повреждающим действием на клетки и ткани организма, так и раздражением нервной системы и возникающими отсюда общими реакциями организма, обозначаемыми как лучевая болезнь.

Лучевая болезнь. По течению различают острую и хроническую лучевую болезнь. Острая лучевая болезнь может протекать в легкой, средней и тяжелой форме. В ее течении выделяют четыре периода.

Первый период — начальный (первичных реакций), наблюдается сразу после облучения, длится от нескольких часов до 1—2 суток. Признаком лучевого поражения в этот период является задержка митотической активности в кроветворных клетках. В этот период усиливаются обменные процессы и повышаются функции основных органов и систем.

Второй период — латентный, скрытый (период кажущегося благополучия), характеризуется изменениями в крови больного, связанными с начинающимся угнетением кроветворения. Длительность этого периода зависит от поглощенной дозы. Так, при дозах 20—100 рад этим периодом может закончиться заболевание. При дозе 150—200 рад скрытый период может длиться несколько недель, при 300—500 рад — всего несколько дней, а при дозе свыше 500 рад скрытый период продолжается всего несколько часов.

Третий период — выраженных явлений, или разгара болезни. В легких случаях он длится несколько дней, в тяжелых — 2—3 недели. Для этого периода характерны кровоизлияния во внутренние органы, резкое подавление кроветворения (рис. 5), повышение проницаемости клеточных мембран, угнетение иммунитета. Именно в этом периоде наступает смерть. Причинами смерти могут быть кровотечения, присоединившаяся инфекция и другие осложнения.

Изменение белой крови при лучевой болезни

Четвертый период — период исхода или восстановления.

Хроническая лучевая болезнь возникает при слабом длительном облучении организма, может быть также исходом острой лучевой болезни. В течение хронической лучевой болезни выделяют три периода: период ранних изменений, развитие осложнений и период тяжелых, необратимых изменений со смертельным исходом.

Механизм развития лучевой болезни определяется наряду с непосредственным поражением клеток главным образом реакцией организма со стороны нервной, эндокринной и соединительнотканной систем на повреждающее радиоактивное излучение.

Реакцию нервной системы можно наблюдать во всех фазах развития лучевой болезни. В начале ее развития, когда происходит ионизация воды и биосубстратов организма, рецепторы нервной системы реагируют на изменения внутренней среды организма, приводя к возбуждению все звенья нервной системы.



Расстройства функции центральной нервной системы проявляются в нарушениях условнорефлекторных связей, ослаблении процесса внутреннего торможения. Функциональные изменения в коре головного мозга в различные сроки облучения связаны с увеличением импульсации, притекающей в высшие отделы нервной системы через ретикулярную формацию. Меняются функции и всех подкорковых центров. Так, проявлением повреждения вегетативных центров служит нарушение терморегуляции, регуляции тонуса сосудов, сердечного ритма в облученном организме. Таким образом, при лучевых заболеваниях в нервной системе обнаруживаются наиболее ранние и интенсивные функциональные изменения, а структурные нарушения в ней не так выражены, как, например, в костном мозге (П. Д. Горизонтов).

В развитии лучевой болезни немалое значение имеют и эндокринные расстройства. Функции всех эндокринных желез в той или иной мере нарушаются под влиянием ионизирующего излучения. Наиболее выраженные изменения наблюдаются в половых железах, гипофизе и надпочечниках. Эти изменения зависят от дозы излучения и могут проявляться как усилением секреции, так и угнетением ее. Большое значение, по-видимому, имеет и нарушение обычной согласованности в секреции различных эндокринных желез.

Лучевое повреждение половых желез при хронических воздействиях проникающей радиации может возникнуть очень рано — до появления клинических симптомов лучевой болезни. Изменения, наступающие в половых железах, ведут к стерильности, уменьшению потомства, повышению мертворождаемости.

Нарушение функции гипофиза, сопровождаясь изменением секреции ряда тройных гормонов, ведет к разнообразным вторичным последствиям из-за нарушения функции соответствующих желез. Особенно важна недостаточность надпочечных желез, резко снижающая реактивность организма и устойчивость ко всевозможным повреждающим воздействиям внешней среды.

Отдаленные последствия облучения. Среди отдаленных последствий облучения наиболее изучены (кроме хронической лучевой болезни) сокращение средней продолжительности жизни, развитие катаракт, нарушения эмбрионального развития, возникновение злокачественных опухолей.

Облучение повышает число злокачественных опухолей и ускоряет их возникновение (в эксперименте). Чаще всего образуются опухоли кроветворной ткани (лейкозы), молочной железы, кожи, печени, щитовидной железы.

Опухоли могут возникать как при общем, так и местном облучении.

Воздействие ионизирующим излучением применяется и как мощное противоопухолевое средство. Облучение при этом всегда проводится локально. Режим воздействия подбирается таким образом, чтобы большая часть энергии излучения поглощалась в опухоли и вблизи ее. Действие радиоизлучения наиболее эффективно в случае опухолей с повышенной митотической активностью, обладающих пониженной радиорезистентностью.

Солнечные лучи

Ультрафиолетовые лучи (УФЛ). Ультрафиолетовые лучи (длина волны от 1880 до 3800 А) проникают только в самые поверхностные слои кожи и оказывают биологическое и патологическое действие на организм.
Общее биологическое действие ультрафиолетовых лучей на человека выражается трояко:
  • 1.    Реакция со стороны кожи — ультрафиолетовые лучи средневолнового диапазона (2800—3150 А) вызывают эритему. Эритема возникает в результате образования в месте облучения гистамина, являющегося сильным сосудорасширителем. Она имеет резко очерченные границы, наступает через определенный промежуток времени (от десятков минут до нескольких часов) и, как правило, переходит и пигментацию — загар с образованием и отложением в коже пигмента меланина. Загар вызывают преимущественно длинноволновые ультрафиолетовые лучи (3150—3800 А).
  • 2.    Под влиянием ультрафиолетовых лучей в коже из провитамина 7-дегидрохолестерина фотохимическим путем образуется витамин D3. Минимальное необходимое для этого количество ультрафиолетовых лучей составляет 1/8—1/10 эритемной дозы в день.
  • 3.    Бактерицидный эффект ультрафиолетовых лучей наиболее выражен в пределах длины волны от 2000 до 2800 А (коротковолновой ультрафиолет). Бактерицидный эффект сопровождается и стимуляцией иммунологической реактивности: усиливается выработка антител, повышается комплементарная активность сыворотки крови.
Ультрафиолетовые лучи самого короткого диапазона (менее 2000 А) оказывают озонирующее действие (вакуумный ультрафиолет).

Патогенное действие УФЛ проявляется при избыточном облучении организма или при наличии повышенной чувствительности (фотосенсибилизация).

Солнечные ожоги строго на месте облучения возникают в силу химического действия УФЛ — избыточного образования гистамина и других биологически активных веществ в облучаемых тканях и их последующего токсического действия как местного, так и общего характера.

Поражение глаз УФЛ — фотоофтальмия — возникает чаще при отсутствии защиты склеры глаз в условиях усиленной радиации (у электросварщиков, при работе в светолечебных кабинетах, в арктических и высокогорных районах и пр.); появляется через 2—6 часов, выражается в боли в глазах, гиперемии, отеке конъюнктивы и век, снижении остроты зрения. Наблюдается и общая реакция организма — головная боль, разбитость, бессонница, тахикардия. Обычно через 5—6 дней эти симптомы исчезают.

Общее действие УФЛ может проявиться и общими реакциями при ведущей роли местных симптомов, а также как самостоятельная реакция на общее ультрафиолетовое облучение — солнечный удар, где ведущим является нарушение общего состояния организма, прежде всего функции центральной нервной системы и органов кровообращения.

В механизме общего патогенного действия УФЛ наибольшее значение имеют два пути: гуморальный и неврогенный.

Гуморальные механизмы. На месте облучения под влиянием УФЛ образуются токсические продукты — гистамин, ацетилхолин, облученный холестерин, эргостерин, белково-липоидные комплексы, оказывающие токсическое действие на стенку капилляров в месте их образования, на нервные клетки и чувствительные нервные окончания вследствие всасывания в общий кровоток.

Интенсивное облучение кожи УФЛ вызывает гемолиз эритроцитов — так называемый фотогемолиз, который особенно усиливается в присутствии фотосенсибилизаторов. Фотосенсибилизаторы — некоторые краски (эозин, флюоресцеин), порфирины, лецитин, холестерин — усиливают повреждающее действие УФЛ.

У некоторых людей с нарушенным обменом порфирина (порфирия) уже при незначительном солнечном облучении возникают ожоги и состояние тяжелого коллапса вследствие отравления токсическими продуктами облученного порфирина.

Неврогениые механизмы. Возможно рефлекторное возбуждение некоторых вегетативных центров (сосудодвигательного, вагусного, центров терморегуляции) через рецепторы кожи, раздражаемые химическими веществами на месте их образования.

Возможно и центрогенное действие этих же токсических продуктов на жизненно важные нервные центры в результате всасывания в ток крови, лимфы и спинномозговую жидкость — отсюда расстройства кровообращения типа коллапса, который иногда может закончиться смертью (солнечный удар).

Бластомогенное действие на человека могут оказывать УФЛ с длиной волны от 2900 до 3841 А при длительном воздействии. У животных опухоли могут быть вызваны радиацией с более широким диапазоном волны. Поглощением УФЛ верхними слоями кожи определяется в известной степени локализация развивающихся под их действием опухолей у человека, например плоско- и базальноклеточный рак кожи. У животных, у которых кожа тоньше, в значительном проценте случаев возникают и саркомы. У человека опухоли развиваются на открытых, незащищенных участках тела, а у экспериментальных животных — на частях тела, лишенных шерсти.

Частота опухолей кожи возрастает с увеличением количества поглощенной энергии. Так, подсчитано, что в США между 42° и 30° северной широты частота рака кожи удваивается с приближением к экватору на каждые 4°. Рак кожи под воздействием УФЛ возникает после длительного латентного периода. Появлению рака предшествуют длительные деструктивно-воспалительные изменения кожи, называемые солнечным кератозом.

Механизм бластомогенного действия ультрафиолетовых лучей далеко не ясен. Можно предполагать два пути этого действия:

  • а) УФЛ, как и радиоактивная радиация, обладают мутагенным свойством (см. «Роль наследственности, конституции и возраста в патологии»);
  • б) под влиянием УФЛ в коже могут образоваться какие-то канцерогенные вещества.

Фиолетовые лучи (3800—4500 А) могут оказывать на организм, наподобие ультрафиолетовых, химическое действие, но значительно менее выраженное.

Видимые лучи солнечного спектра с длиной волны 5000—7000 А значительным повреждающим действием не обладают, так как в основном поглощаются кожей и не проходят в глубь организма.

Через посредство глаза — органа, специализированного для восприятия лучей солнечного спектра в пределах от 4000 до 7600 А, световые раздражения могут оказывать влияние на весь организм. Раздражение зрительных рецепторов световыми лучами передается, кроме зрительных центров, в вегетативные центры гипоталамуса и приводит их в состояние слабого возбуждения, что в свою очередь способствует усилению окислительных процессов, повышению кровяного давления и даже возникновению некоторой эйфории (в яркий, солнечный день люди более улыбчивы и общительны, чем в хмурые, пасмурные дни).

Естественный ритм освещения определяет суточный ритм активности животных и человека, ритм целого ряда физиологических процессов, теснейшим образом связанных рефлекторными и условнорефлекторными механизмами с ритмом смены дня и ночи, ритмом сезонных колебаний освещенности. Нарушения нормального ритма физиологических функций, связанных с ритмом естественной смены дня и ночи, в ряде случаев ведут к развитию болезненных состояний (неврозов), лечение которых требует восстановления нормального ритма световых раздражений. Такие нарушения могут быть результатом неправильного построения рабочего и бытового режима, круглосуточного дня и круглосуточной ночи за полярным кругом и т. д.

Инфракрасные лучи. Инфракрасные лучи оказывают на организм в основном тепловое действие. Лучи длиной волны от 7600 до 14 000 А обладают большой проникающей способностью и прогревают ткани как бы изнутри. Лучи длиной волны более 14 000 А поглощаются поверхностными тканями и могут давать обжигающий эффект.

Повышение температуры в результате поглощения тканями энергии инфракрасных лучей сопровождается ускорением различных физико-химических и физиологических реакций организма как местного (повышение проницаемости сосудов, расширение их — пассивная гиперемия, экссудация и пр.), так и общего (повышение обмена веществ, температуры тела, в тяжелых случаях — нарушения механизмов терморегуляции и тепловой удар) характера.



Излучения лазера

Лазер, или оптический квантовый генератор, — физический прибор, позволяющий излучать монохроматические пучки света необычайной интенсивности с малым углом их расхождения. Нефокусированный луч лазера имеет ширину 1—2 см, а с наведенным фокусом от 1 до 0,01 мм и меньше. Поэтому можно концентрировать огромную световую энергию на площадь в несколько микронов и достигать при этом очень высоких температур. Энергия каждой вспышки лазера может измеряться сотнями и тысячами джоулей. Луч лазера способен плавить алмаз, сталь и другие материалы.

Различают лазеры импульсного и непрерывного действия; и те и другие находят применение в медицине. Действие луча лазера на живые ткани происходит в течение очень коротких интервалов (стотысячные доли секунды), и, по-видимому, поэтому не возникает ощущения боли. Глубина проникания может регулироваться при помощи оптической системы и обычно достигает 20—25 мм.

Степень поглощения лучей лазера зависит от окраски облучаемого объекта. Больше всего они поглощаются пигментированными тканями, эритроцитами, меланомами и пр. Лучи лазера разрушают, расплавляют живые ткани; особенно к ним чувствительны опухолевые ткани.

Механизм повреждающего действия лучей лазера на биологические объекты складывается из ряда факторов:

  • 1)    термическое действие самого луча и вторичное повышение температуры подлежащих тканей в результате поглощения тепловой энергии;
  • 2)    механическое действие в результате возникновения упругих колебаний типа ультразвуковых или даже ударной волны. Возникает своеобразный «взрывной эффект» вследствие мгновенного перехода твердых и жидких веществ организма в газообразное состояние и резкого повышения внутритканевого давления (до нескольких десятков и сотен атмосфер):
  • 3)    биологическое действие — в тканях и клетках после действия на них луча лазера образуются токсические вещества. Возможно, от них зависит прогрессирующий некроз клеток после облучения;
  • 4) инактивация или изменение специфического действия тканевых энзимов.

Допускается возможность ионизации составных элементов тканей и возникновение магнитных полей.

Степень и результат воздействия луча лазера зависят от особенностей самого излучения (тип лазера, мощность, длительность действия, плотность излучения, частота импульсов), физико-химических и биологических особенностей облучаемых тканей (степень пигментации, кровообращение, гетерогенность тканей, их эластичность, теплопроводность и пр.).

Вследствие своих биологических и физико-химических особенностей опухолевые клетки более чувствительны к лучу лазера, чем здоровые. Именно в онкологии этот вид излучения и находит пока наибольшее применение. Кроме того, лазер используется для бескровных операций в хирургии, офтальмологии и др.