Физика → химия → биология: краткая причинно-следственная цепочка
- Первичный акт: ионизирующее излучение передаёт энергию веществу; дозу определяют как
$$D=\frac{dE}{dm}(\text{Грей}=\text{Дж/кг}).$$ Энергия идёт на ионизацию/возбуждение молекул. Приблизительно требуется энергия $W$ на образование одной иони-пары ($W\sim 30-35\text{эВ}$ для воды), поэтому число ионизаций пропорционально дозе и массе.
- Радиолиз воды (основной путь в биотканях): образуются реагент‑радикалы
$${\text{H}}_2\text{O}\stackrel{\text{радиация}}{}{\text{e}}_{\text{aq}}^{-},\text{H}\cdot ,\text{OH}\cdot ,{\text{H}}_2{\text{O}}_2,{\text{H}}_2.$$ Эти радикалы (особенно $\mathrm{OH}\cdot$) вызывают окислительное повреждение ДНК, белков и липидов — так называемый «косвенный» эффект.
- Прямое действие: зарядные частицы и вторичные электроны могут ионизировать саму ДНК (разрывы цепей, модификации оснований) без посредников.
- Молекулярные повреждения: одиночные и двойные разрывы цепей ДНК (SSB, DSB), повреждения оснований, перекрёстные связи, окисление белков. DSB наиболее биологически значимы (могут приводить к мутациям, хромосомным перестройкам или гибели клетки).
- Клеточный ответ: репарация (NHEJ, HR и др.), апоптоз, клеточный цикл‑арест, сенесценция, митотическая смерть. Неполное или ошибочный ремонт приводит к мутагенезу и канцерогенезу.
Зависимость от типа излучения (качества излучения)
- LET (линейная передача энергии): $\mathrm{LET}$ в единицах $\mathrm{keV}/\mu \mathrm{m}$ характеризует плотность ионизаций вдоль трека.
- Низкий LET (гамма‑кванты, рентген, β‑частицы): разреженные ионизации, преобладает косвенный эффект через радикалы; повреждения более разнесённые, легче ремонтируются. Характерный кислородный эффект высок ( ОER ≈ 2.5–3).
- Высокий LET (α‑частицы, тяжёлые ионы, чужеродные ядра, рикоцетные ядра от нейтронов): плотные кластеры ионизаций, образуются сложные, множественные повреждения (кластерные ДSB), которые хуже репарируются — выше биологическая эффективность.
- Отношение биологической эффективности (RBE) зависит от LET и эндпойнта:
$$\mathrm{RBE}=\frac{D_{\text{реф}}}{D_{\text{тест}}}\text{для одинакового биологического эффекта}.$$ RBE обычно растёт с LET до максимума при $\mathrm{LET}\sim 100\mathrm{keV}/\mu \mathrm{m}$, затем падает («перепроизводство» и локальное насыщение).
Зависимость от дозы и режима облучения
- Закон для выживаемости клеток (модель линейно‑квадратичная):
$$S=\exp (-\alpha D-\beta D^2),$$ где $\alpha$ отражает одиночные события (линейная компонента), $\beta$ — кумулятивные двух‑событийные поражения.
- Доза и скорость дозирования:
- При малых скоростях дозирования или дробном облучении между импульсами происходит репарация повреждений → меньший биологический эффект (эффект дозовой скорости / фракционирования).
- На высоких дозах и высоких скоростях возможна преобладающая некротическая гибель клеток и острые тканевые реакции.
- Пороговые и безпороговые эффекты:
- Стochastic (вероятностные) эффекты (канцерогенез, наследственные) — вероятность пропорциональна дозе, порога нет (по модели).
- Детеминистические (тканевые реакции) — имеют пороги по дозе; при превышении порога — тяжесть растёт с дозой.
Дополнительные факторы и механизмы
- Кислородный эффект: кислород фиксирует радиационно‑индуцированные радикалы → усиливает остаточные повреждения; определяют как
$$\mathrm{OER}=\frac{D_{\text{аноксич}}}{D_{\text{оксич}}}.$$ OER ≈ 2.5–3 для низкого LET, стремится к 1 при высоком LET.
- Трек‑структура и размерности: кластерные повреждения на нано‑ и микроуровне (нано — критичны для ДНК), микродозиметрия важна для оценки эффектов.
- Вторичные эффекты: индуцированная геномная нестабильность, bystander‑эффект (реакция не облучённых клеток), воспаление и реактивные кислородные/азотные виды в тканях.
Итог (кратко)
- Физические взаимодействия → ионизация/возбуждение → образование радикалов и прямое повреждение ДНК → сложные молекулярные повреждения → клеточный ответ (репарация/смерть/мутация).
- Тип излучения (через LET), доза и режим облучения (скорость, фракционирование), а также кислородирование и биологический контекст определяют, насколько повреждения будут сложными, репарируемыми и биологически значимыми (RBE, OER, форма кривой выживаемости).