Основы радиационной биофизики - Кудряшов Ю.Б.
Скачать (прямая ссылка):
разования одной пары ионов (W). Отношение L/W называют линейной плотностью ионизации (ЛПИ). Точное значение W для тканей неизвестно. Для газов значение W было измерено многими исследователями, оно составляет около 34 эВ. Для приблизительной оценки плотности ионизации в конденсированных системах обычно используют соотношение
ЛПИ=ЛПЭ/34 (пар ионов на мкм пути). (1-18)
Чем выше значение ЛПЭ, тем больше энергии оставляет частица на единицу пути, тем плотнее распределены создаваемые ею ионы вдоль трека.
Обратимся еще раз к данным рис. 1-6. Наклон кривых на этом рисунке отражает эффективность, с которой различные виды излучения вызывают гибель клеток. Чем больше наклон кривой, тем меньше клеток выживает в популяции, поглотившей определенную дозу излучения, т. е. тем эффективнее биологическое действие данного типа ионизирующих частиц. Наклон кривых увеличивается с ростом ЛПЭ излучения. Наибольшей эффективностью в рассматриваемом эксперименте обладали а-частицы с ЛПЭ = = 165 кэВ/мкм.
Величина ЛПЭ — важнейшая радиобиологическая характеристика излучения, показатель его биологической эффективности, или, как иногда говорят, «качества»; физическая природа частиц или квантов не оказывается на специфике биологического действия, например, при равных ЛПЭ наблюдают одинаково эффективное подавление размножения клеток как в результате рентгеновского облучения, так и при действии а-частиц.
Для того чтобы представить возможную причину различной эффективности излучений с высокими и низкими значениями ЛПЭ, рассмотрим схематическое изображение треков некоторых частиц (рис. 1-7). Здесь представлены участки треков частиц, сферическая молекула белка толщиной 310° нм, распределение актов возбуждения и ионизации, произведенных частицами вдоль направления своего движения; а-частицы, обладающие энергией 4 МэВ, передают веществу 130 кэВ на 1 мкм пути, что соответствует примерно 3800 ионизациям на 1 мкм. При такой высокой плотности ионизации в масштабе белковой молекулы частица может произвести несколько следующих друг за другом актов ионизации и возбуждения. Электроны с энергией 0,5 МэВ имеют величину ЛПЭ = 0,2 кэВ/мкм. Такие электроны образуют около 6 пар ионов на 1 мкм пути, т. е. вероятность возникновения ионизации в пределах белковой молекулы толщиной около 0,003 мкм весьма мала.
При облучении клеток ионизирующими излучениями величйна поглощенной дозы показывает лишь среднее количество энергии, переданной облучаемой системе. О плотности ионизации в клетке можно судить по величине ЛПЭ. Если движущаяся частица производит ионизации, значительно удаленные друг от друга, то вероятность возникновения нескольких ионов в пределах макромо-
лекулы, субклеточной органеллы или клетки в целом сравнительно невелика. Напротив, когда акты ионизации следуют непрерывно вдоль трека частицы, можно ожидать возникновения многих ионов в пределах одной субклеточной структуры, например двух ионизаций в комплементарных участках двухнитевой молекулы ДНК. Конечно, биологические последствия поражения (в результате ионизации) обеих нитей этой уникальной молекулярной струк-
____________100 А____________
Д-^ <&• *.о • • • •—
1__________________, _I Электрон
' т , ^
1~^J первичная 2-0 вторичная 3-• возбуждение v-'^ ионизация ионизация
Рис. 1—7. Схематическое изображение отрезка траектории различных заряженных частиц, показывающее распределение актов ионизации и возбуждения вдоль трека частицы в указанном масштабе (по Сетлоу и Полларду, 1964): А — трек дейтрона, Е = 4 МэВ, ЛПЭ=19,4 КэВ/мкм, ЛПИ=570 ионов/мкм; Б — трек дейтрона, Е=1 МэВ, ЛПЭ = 54,0 КэВ/мкм, ЛПИ=1600 ионов/мкм; В — трек а-час-тицы, Е=4 МэВ, ЛПЭ=130 КэВ/мкм, ЛПИ = 3800 иомов/мкм; Г — трек электрона, Е=0,5 МэВ, ЛПЭ=0,2 КэВ/мкм, ЛПИ=6 ионов/мкм; 1 — первичная ионизация; 2 — вторичная ионизация; 3 — возбуждение
туры значительно ощутимее для клетки, чем разрушение какого-либо участка одной спирали ДНК при сохранении целостности комплементарной цепи. Так как с ростом линейной плотности ионизации возрастает вероятность именно такого «двухнитевого разрыва», ясно, что плотноиопизирующие частицы (с высоким ЛПЭ) должны значительно эффективнее поражать ДНК и связанные с ней клеточные функции, чем редкоионизирующее излучение.
На различных биологических объектах было проведено сопоставление эффективности различных типов ионизирующих частиц. В опытах на млекопитающих критерием эффективности служило летальное действие излучений, различные отдаленные эффекты, такие, как появление лучевых катаракт и злокачественных опухолей, снижение продолжительности жизни. При облучении клеточ-
ных суспензий оценивали выживаемость клеток при действии одинаковых доз радиации, сообщенных различными типами ионизирующих частиц, подсчитывали число индуцированных облучением хромосомных аберраций и мутаций. Эти и другие эксперименты позволили количественно оценить эффективность различных зи-дов ионизирующих излучений и ввести коэффициенты, которые для каждой конкретной биологической системы показывают эффективность данного типа излучения по сравнению с выбранным стандартным излучением. Коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) определяется из соотношения
