Ионизация тканей косвенно ионизирующими частицами

Ионизация тканей косвенно ионизирующими частицами

Нейтронное, рентгеновское и у-излучение генерируют в веществе ионизации, пространственное распределение которых суще ственно отличается от такового при действии ускоренных заряженных частиц. Электронейтральные частицы, обладая высокой проникающей способностью, углубляются в ткани на значительные расстояния. Они формируют большинство ионизаций косвенным путем: фотоны рентгеновского и у-излучения — за счет ускоренных электронов, а нейтроны — за счет ядер отДачи. Эти заряженные частицы в основном и осуществляют перенос энергии излучения веществу, вызывая ионизации и возбуждения атомов.

Мягкие рентгеновские лучи (до 100 кэВ) поглощаются в поверхностных слоях ткани за счет фотоэффекта. Длина пробега фотоэлектронов не превышает 2 мм, поэтому биологически существенный эффект, связанный с ионизацией атомов и молекул, возникает /вблизи места поглощения падающего кванта. Пространственное распределение ионов определяется энергией выбитых фотоэлектронов. Так, фотоны мягкого рентгеновского излучения с энергией 10 кэВ (это соответствует 1=10 нм) передают фотоэлектрону около 9,5 кэВ энергии (0,5 кэВ — средняя энергия ионизации атомов в биологических системах). Из табл. 1-5 видно, что длина пробега такого электрона в ткани — 2,3 мкм, ЛПЭ = = 2,4 кэВ/мкм, а плотность ионизации — около 32 пар ионов на 1 мкм пути. Число таких треков, т. е. количество выбитых фотоэлектронов в результате первичной ионизации, определяется поглощенной дозой. Картина ионизации ткани мягким рентгеновским излучением при поглощенной дозе 104 Гр показана на рис. 1-1 ЗА.

Глубина слоя воды,см

Рис. I—14. Кривые поглощения энергии в воде для рентгеновского н у_излУчения с разной энергией квантов (по Линденбратену, 1969)

ная особенность действия жесткого электромагнитного излучения позволяет воздействовать на глубоко расположенные опухоли без чрезмерного повреждения кожи и промежуточной ткани. Существование такого максимума (рис. 1-14) объясняется тем, что в результате комптоновского взаимодействия фотонов высокой энергии и электронов атома последним передается значительная часть энергии фотона (чем выше энергия излучения, тем более вероятен перенос к электрону отдачи максимальной энергии, вплоть до 99,9% энергии кванта). Электроны таких высоких энергий (несколько тысяч кэВ) проникают в ткань на глубину в несколько сантиметров, образуя максимальное число ионизаций и возбуждений в конце пробега, когда скорость их значительно снижается.

Следовательно, электроны, высвобождаемые квантами излучения на поверхности облучаемого объема, образуют максимальное число ионов на глубине ткани в несколько сантиметров, т. е. они осуществляют перенос энергии излучения в глубь ткани. Так, например, у-лучи с энергией квантов 1 МэВ высвобождают в результате комптоновского взаимодействия электроны отдачи с максимальной энергией 817 кэВ и средней энергией 452,5 кэВ. При энергии 450 кэВ электрон теряет около 0,2 кэВ на 1 мкм пути и способен пройти путь в 1500 мкм от места своего образования. В среднем он образует 2 пары ионов на 1 мкм пути, однако ионизации распределены неравномерно, резко выраженный максимум наблюдается в конце трека (рис. 1-9). На рис. 1-13, Б показан характер ионизации вещества жестким рентгеновским излучением при общей поглощенной дозе 103 Гр.

Рис. I—15. Пространственное распределение поглощенной дозы для разных видов излучения (по Тобиасу и др., 1971). Все кривые проведены так, что относительная доза, равная 1,0, лежит в центре опухоли диаметром 4 см; уплощение и расширение пика Брэгга достигается установкой по ходу пучков специальных гребенчатых фильтров

Облучение нейтронами высоких энергий (10—15 МэВ) приводит к пространственному распределению ионов в поглощающей ткани, которое сходно с картиной ионизации жестким у-излучени-ем. Отличие состоит в том, что энергия нейтрона переносится не к электронам, а к ядрам отдачи, т. е. к тяжелым ускоренным частицам, несущим положительный заряд. Наибольшее количество энергии переносится протонами отдачи, т. е. ускоренными ядрами водорода. Так, при облучении тканей нейтронами с энергией 14 МэВ 25% поглощенной дозы на глубине 15 см создают тяжелые ядра отдачи с ЛПЭ выше 50 кэВ/мкм и 70% — протоны отдачи с ЛПЭ=16 кэВ/мкм1. В рассматриваемом случае на значительной глубине ткани высвободились тяжелые заряженные частицы с высокой плотностью ионизации — протоны с ЛПЭ= = 16 кэВ/мкм имеют длину пробега около 70 мкм и образуют в среднем 218 пар ионов на 1 мкм пути, однако максимальное ионизирующее действие, .как уже говорилось, наблюдается в конце трека частицы, когда скорость ее значительно снижается. Таким образом, в результате облучения тканей нейтронами высоких энергий в редкорасположенных микрообъемах возникают короткие треки с высокой плотностью ионизации. Это служит причиной значительно более высокого, чем для рентгеновского и у-из-лучения, значения ОБЭ нейтронов высоких энергий.

Подбирая соответствующий тип излучения и варьируя энергию ионизирующих частиц, можно добиться оптимального распределения поглощенной дозы, в частности благоприятного соотношения между степенью поражения нормальных тканей и опухолей,

залегающих на значительной глубине, что показано на рис. 1-15.

* * *

Наиболее существенной особенностью ионизирующих излучений, как следует из самого названия этой группы высокоэнергетических электромагнитных и корпускулярных излучений, является их способность тгрямо или косвенно приводить к одному результату — возникновению ионизированных атомов и молекул.

Всего Ю-13 с занимает Первая, или физическая, стадия действия ионизирующего излучения на биологические системы. За это время энергия поглощенных живой тканью фотонов или заряженных частиц полностью растрачивается на ионизацию атомов и молекул.

Процесс «размена энергии» излучения на этой начальной стадии можно условно разделить на два этапа. Вначале происходит акт первичной ионизации, при котором связанному электрону различными способами сообщается запас энергии, достаточный для того, чтобы он с некоторой скоростью v покинул пределы атома. Возникают положительно заряженный ион и свободный электрон с запасом кинетическои энергии Ек — Г/2mev2. Свободный электрон проходит в ткани определенное расстояние, осуществляя вдоль своего трека акты вторичной ионизации. На этом этапе происходит дальнейшая передача энергии излучения веществу. Растратив запас кинетической энергии на ионизацию и возбуждение, свободный электрон замедляет движение, захватывается нейтральным атомом с образованием отрицательного иона. В результате этих процессов энергия ионизирующей частицы израсходовалась на образование пары ионов (положительно заряженный ион А+ и отрицательный — А-):

—лУ-> А-> А+ + е-, е- + А-> А~ и возбуждение атомов: —А->А*.

На ионизацию атомов Н, N, О, С, S, Р затрачивается 10— 15 эВ. Значительно меньше энергии необходимо для их возбуждения, поэтому летящая заряженная частица способна возбуждать атомы, расположенные на значительном расстоянии от ее трека. На один ионизированный атом приходится несколько возбужденных. Поэтому одна пара ионов образуется при поглощении около 34 эВ — величины, значительно большей потенциала ионизации. Избыток энергии растрачивается на возбуждение.

Сведения о начальных процессах поглощения энергии излучения необходимы для выяснения механизмов радиобиологических процессов. Возникающие на физической стадии ионизированные и возбужденные молекулы запускают сложную цепь реакций, приводящих в конечном счете к тестируемому биологическому эффекту. Поэтому информация о первичных событиях (число ионизаций, характер их распределения и т. д.) служит отправной точкой биофизического анализа механизмов биологического де&стзия ионизирующих излучений.

В качестве примера рассмотрим несколько упрощенную картину ионизации, .возникающую в клетке в результате облучения суспензии клеток а-частицами с энергией 2,5 МэВ и рентгеновскими квантами с энергией 200 кэВ. Так как поглощение энергии ионизирующих излучений происходит в результате дискретных событий, при которых энергия частицы или фотона с определенной вероятностью переносится атомам или молекулам поглотителя, можно говорить об определенной вероятности «попадания» фотона или частицы в данный объект, например в клетку. Вероятность попадания в данном случае соответствует вероятности абсорбции энергии фотона или частицы в пределах клетки. Величина интегральной поглощенной дозы, которую определяют при облучении суспензии’ клеток, показывает, какое число «бомбардирующих» данный объем частиц оставляет в пределах этого объема свою энергию. Существует такая доза D, при которой каждая клетка испытывает в среднем одно попадание. В случае а-частиц с энергией 2,5 МэВ в результате одного попадания в клетке формируется короткий трек длиной 13 мкм с очень высокой плотностью ионизации — в среднем образуется 2,5 тыс. пар ионов на 1 мкм пути. Большая часть ионизаций представляет собой скопления нз одной-двух пар ионов, практически непрерывно следующих друг за другом вдоль прямолинейного трека частицы; некоторая часть ионизаций произведена высокоэнергетическими б-электронами, которые ответвляются от основного трека во всех направлениях (суммарная длина пробега 6-электронов вдвое превышает путь а-частицы). В принципе, в клетке может существовать некая микроструктура (мишень), поражение которой прямо или косвенно приведет к конечному биологическому эффекту. Например, глубокая деградация какого-либо мембранного участка может ‘резко нарушить ионный гомеостаз и привести к быстрой гибели клетки, а поражение определенного участка хромосомы может привести к метаболическим изменениям, которые постепенно приведут к нарушению жизненно важных функций и гибели клетки. Априори можно предполагать, что прохождение трека а-частицы через «мишень» приведет к ее поражению вследствие ионизации большого числа атомов, составляющих такую мишень.

Если же клетка поглотила фотон рентгеновского излучения с энергией 200 кэВ, то это означает, что порожденный в пределах клетки свободный электрон (он возник в результате первичной ионизации какого-либо атома) израсходовал запас кинетической энергии на ионизацию и возбуждение субклеточных структур. Вероятнее всего, что рассматриваемый рентгеновский квант (200 кэВ) высвободил электрон ,в результате комптоновского взаимодействия. Тогда средняя энергия электрона около 45 кэВ, а плотность ионизации — 8,5 пары ионов m 1 мкм пути. При такой низкой плотности ионизации в пределах мишени малого размера может возникнуть в лучшем случае одна ионизация (толщина клеточной мембраны около 0,01 мкм, хромосомы — около 0,1 мкм). Если при этом тестируемый биологический эффект (например, разрыв хромосомы) все же наблюдается, то это можно объясни1ь тем, что для его возникновения достаточно одной ионизации в пределах определенной структуры, так называемой мишени.

Такого рода соображения открывают широкие возможности для формального анализа первичных процессов, приводящих к тестируемому биологическому эффекту облучения. Проводя соответствующую математическую обработку кривых, отражающих зависимость биологического эффекта от поглощенной дозы излучения, можно попытаться оценить минимальное количество актов ионизации, достаточное для возникновения эффекта, примерный размер мишени, в которой должны произойти акты ионизации, и т. д. Такой анализ (подробнее он будет рассмотрен в следующей главе) позволяет получить важную информацию о характере ионизации, которая произошла в объекте на начальной стадии действия излучения и спустя определенное время (секунды, часы или даже месяцы) приведет к конечному биологическому эффекту. Выяснение механизма биологического действия ионизирующих излучений состоит в расшифровке всей последовательности процессов, которая начинается с возникновения в облученном объекте определенного числа ионизированных и возбужденных молекул, составляющих биологический субстрат.