Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Такое событие будем именовать попаданием. Вероятность и попаданий в мишень, находящуюся в пределах объекта, где с, — среднее число попаданий в мишень. Пусть (М) — среднее число частиц, пролетающих через единичную плошадку, тогда Р, = о(М). Если Ж вЂ” число объектов, сохранивших после облучения нсходныс свойства (т. е.
«выжнвших»), то ЛЧМо соответствует вероятности непопадання (и = О). Из уравнения (1.2) получаем Ф/)Уо — — [(о(М)) е ( ))!О!=е При условии, что в среднем число попаданий равно числу мишеней, о(М) =1„н тогда Ж/23о — — 0,37. По статистике Пуассона реально поражается только 63 '.4 мишеней, так как чань мишеней испытывает многократные попадания. Соответствующая доза обозначается как 2732 (рнс. 1.9). Графически зависимость доли выживших объектов от дозы выражается экспонентой 6ЧМь от«.
ед. -о(М) — (М) ! РЗ7 0,37 РИ и у-излучение вызывают редко расположенные акты ионизации, поэтому для расчета их действия вводят объем мишени. Аналогично выше рассмотренному (см. формулу (1.2)), О дп Оп, ГР Рис. 1.9. Зависимость доли выживших объектов от дозы ИИ И'(л) =(с "е ь)7л!, где Р,= 1'(М), (М) — среднее число частиц, пролетающих через единичный объем мишени. Доля выживших объектов (см. рис, 1.9) составляет 66 Для более точного описания экспериментальных кривых принцип попадания и теория мишеней дополняются принципом усиления, который заключается в том, что попадание в мишень приводит к развитию вторичных процессов, усиливающих действие радиации во много раз.
Поскольку доказано существование ферментативных систем, способных репарировать повреждения генетического аппарата клетки, возник новый динамический подход к радиологическим моделям. Сейчас радиобиологический эффект рассматривают как результат интерференции двух противоположно направленных процессов — развития начального радиационного поражения и его элиминации за счет функционирования репарирующих систем. Основываясь на этом, О. Хуг и А. Келлерер [21) предложили в качестве общей теории действия индуцирующих излучений на клетку «стохастическую гипотезу». Она базируется на представлениях о том, что случайные и диффузно расположенные акты ионизации и возбуждения только в редких случаях однозначно приводят клетку к гибели. На эту «стохастику первого порядка» должна накладываться «стохастика более высоких порядков»„которая определяется динамической нестабильностью жизненных процессов, способных исключать или усиливать начальное радиационное повреждение.
При формировании радиобиологического эффекта все- гда происходит взаимодействие множества случайных событий (множественная стохастика). Стохастическая концепция рассматривает любой биообъект как динамическую систему, постоянно находящуюся в состоянии перехода из одного состояния в другое. Полученные дозовые кривые хорошо согласуются с экспериментом (см, рис, 1.9). Вероятностная модель представляет собой синтез теории попадания и стохастической концепции, дополненный вероятностными представлениями.
Разные клетки, подвергнутые облучению одинаковой дозой, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания. Однако и потенциальные, и реализованные повреждения появляются с вероятностью, меньшей единицы. Реализованные повреждения (или индуцированные ими изменения) наследуются при делении клеток и с вероятностью, меньшей единицы и зависящей от числа этих повреждений, приводят к отсутствию клеточного деления. Вероятностная модель позволяет предсказать многообразие радиобиологических эффектов на основе минимума исходных повреждений [25].
Стохастический характер воздействия ИИ на биообъекты малых объемов и масс приводит к необходимости учитывать флуктуации, обусловленные следующими процессами: ° случайным характером числа частиц, прошедших через объем; ° вероятностным характером числа актов передачи энергии заряженной частицей при прохождении одного и того же отрезка пути; ° вероятностным характером количества переданной энергии в каждом акте взаимодействия.
Выход повреждений у(Е7„) биологического объекта под действием ИИ составляет у(0„) ~ 7~> (з)У(я)йг, О где У(Р) — функция отклика биоструктуры на событие энергопоглощения 3, не имеет определения в виде простой математической зависимости; 7;> (г)ай — вероятность того, что при дозе 27„ л удельная энергия в микрообъеме находится в пределах от 3 до г+ т1а, Р = (ЛŠ— поглощенная энергия в заданном микрообьЛтл еме, Ьт — его масса).
67 1.8. РЕПАРАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ МАЛЫХ ДОЗ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Радиационные эффекты существенно зависят от темпа облучения, интервалов между облучениями и ЛПЭ отдельных видов ИИ. Это свидетельствует о наличии процессов восстановления в клетках облученного организма, которые включают репарацию субклеточных повреждений клеток и замену летально поврежденных клеток репопуляцией сохранившихся. Предполагают, что система Р епарации более эффективна в растущем организме, где клетки постоянно обмениваются веществом с окружающими клетками и жидкостями организма.
Время репарации для однонитевого разрыва в среднем составляет 10 мин, для двухнитевого — несколько часов. Хромосомные аберрации образуются в основном только после двухнитевых разрывов цепочек. До некоторой дозы радиации восстановительные ферментные системы клетки справляются с задачей своевременного устранения повреждений.
Если же повреждение почему-либо не устранено, что может привести к мутациям, ведущим к образованию опухолей, то в действие вступает иммунная защитная система. В клетке содержатся естественные ловушки радикалов. До тех пор, пока они находятся в избытке по отношению к продуктам радиолиза, ДНК может быть защищена. Следовательно, для лучевого повреждения может существовать пороговая доза, при которой количество свободных радикалов не позволяет провести их ликвидацию, Принято считать, что дозы, превышающие в 5 — 10 раз естественный радиоактивный фон, являются малыми дозами.
Для человека— это 4...5 рад [0,04...0,05 Гр ) при однократном облучении (см. 1.4). С научно-теоретической точки зрения невозможно доказать, вредными или безвредными являются малые дозы радиации (в пределах 1 мЗв), а с помощью эпидемиологических исследований невозможно достичь надежного отношения доза — эффект при дозах облучения менее 50 мЗв. Доказано, что для возникновения канцерогенного процесса должны иметь место несколько почти одновременных повреждении молекул ДНК. Излучение же с малой линейной передачей энергии (ЛПЭ) главным образом вызывает однонитевые разрывы, которые репарнруются.
При малых мощностях дозы система сбора радикалов более эффективна, чем при больших. При больших мощностях 68 дозы каждая клетка ткани может испытать несколько попаданий, в то время как при малых — клетка, подвергшаяся воздействию излучения, обычно окружена неповрежденными клетками. Обратимся к экспериментальным данным. Так, эксперимент показал неправомерность экстраполяции эффектов, вызванных высокими дозами, на эффекты, вызванные низкими дозами [20]. Цитогенетические повреждения характеризовались более высокой эффективностью на единицу дозы в диапазоне низких доз, чем в диапазоне высоких доз, а также наличием дозонезависимого участка между ними. Было обнаружено, что кл и~го при Е)„< 0,3 Гр клеткам свойственна очень высокая радиочувствительность (гиперчувствительность); при оп = 0,3...1,0 Гр выживаемость мало зависела от дозы; при 1)п > 1 Гр наблюдалась линейная зависимость выживаемость/доза.
Для объяснения результатов авторы делают предположение, что индукция процессов репарации происходит при определенном уровне повреждения клеток. Запуск системы репарации и ее эффективность зависят от типа клеток. Наблюдается также эффект адаптивного ответа (АО): клетки, предварительно облученные в малых дозах, становились менее чувствительными к последующим воздействиям высокой дозы.
Но АО проявляется в узком диапазоне адаптирующих доз с экстремумом, различающимся для разных типов клеток, в оптимальных для клеток физиологических условиях, которые зависят от состава среды [20]. Исследования же влияния малых доз показывают, что они не только не оказывают угнетающего и тем более разрушительного действия на живые системы, но в очень многих случаях даже стимулируют их жизнедеятельность. Так, например, в работе [18] показано, что импульсное воздей— 8 -8 — 5 ствие ИИ [время воздействия — 10 и 2.10 с, доза — 2,7 1О -4 -3 -4 и 3 1О Гр, скорость дозы — 2,7!0 и 1,5 1О Гр/с) приводило к возбуждению биоэлектрической активности мозга и поведения животных.
В то же время высокая скорость дозы при очень коротких импульсах воздействия вызывала активизацию мозговых функций и влияла на поведение животных, тогда как малые скорости дозы не оказывали воздействий. Единичные импульсы ИИ вызывали реакцию нервных клеток и нервной системы, которая длилась от секунд до часов для нервных клеток и от дней до недель для нервных систем.
Сравнение действия ИИ и ЭМИ показало, что 69 они отличаются. ИИ вызывает легкую активизацию нервных клеток и некоторых форм поведения, тогда как импульсы ЭМИ вызывали слабое подавление функции мозга и поведения. Вероятность действия ИИ малой дозы на небольшие объекты невелика. Например, по теоретическим расчетам при дозе 0,01 Гр сферу диаметром 7 мкм (ядро лимфоцита) пересекает 1,3 частицы. Однако при этом наблюдается значительный биологический эффект. Следовательно, частица теряет свою энергию порциями 10...30 эВ и переводит некоторые ферменты в активное состояние, что дает начало соответствующим химическим процессам и активизирует клеточные функции. (Например, для зрения животных порог активизации ретинальных клеток составляет 1 — 3 фотона видимого излучения.) Все реакции клеток в организме интегрируются в центральной нервной системе, вероятно, в гипоталамусе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
