2) функциональные изменения органов
3) поражение структур клетки продуктами радиолиза воды
4) повреждение молекул в результате взаимодействия с частицей либо фотоном ионизирующего излучения (+)
Прямое действие ионизирующего излучения возникает при непосредственной передаче энергии молекуле-мишени во время взаимодействия с фотоном или заряженной частицей. Ионизация или возбуждение атомов ДНК, белков мембран и других критически важных структур вызывает разрыв химических связей, модификацию азотистых оснований, одно- и двунитевые разрывы ДНК. Поэтому правильным является положение, описывающее повреждение молекулы непосредственно частицей или фотоном излучения.
Ключевой мишенью, определяющей радиобиологический эффект, считается ДНК. Наиболее значимы кластерные повреждения и двунитевые разрывы, особенно если они возникают близко друг к другу в пределах трека частицы. Вероятность прямого механизма возрастает при воздействии излучения с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ), например альфа-частиц и тяжелых ионов; при фотонном облучении существенная доля повреждений формируется опосредованно.
Опосредованное действие реализуется через радиолиз воды — образование гидроксильных радикалов, гидратированных электронов и других активных форм, которые затем атакуют биомолекулы. Некроз, функциональные нарушения органов и тканевые реакции являются последующими биологическими проявлениями повреждения, а не первичным механизмом прямого действия. Исход зависит от дозы, мощности дозы, ЛПЭ, кислородного статуса тканей и эффективности репарации ДНК.
| Критерий | Прямое действие | Опосредованное действие |
|---|---|---|
| Первичная мишень взаимодействия | Молекула ДНК или другая критически важная клеточная структура | Молекулы воды с последующим воздействием продуктов радиолиза |
| Начальный физико-химический процесс | Непосредственная ионизация или возбуждение атомов мишени | Ионизация воды с образованием свободных радикалов |
| Основные повреждающие агенты | Энергия фотона, электрона или другой заряженной частицы | Гидроксильный радикал, перекисные соединения и другие активные формы |
| Типичные повреждения ДНК | Кластерные повреждения, разрывы цепей, модификация оснований | Окисление оснований и разрывы цепей вследствие атаки радикалов |
| Связь с ЛПЭ | Вклад обычно увеличивается при высокой ЛПЭ и плотной ионизации | Особенно значим при низкой и промежуточной ЛПЭ, характерной для фотонного излучения |
| Роль кислорода | Обычно менее зависим от кислородной фиксации повреждения | Кислород стабилизирует радикальные повреждения и повышает радиочувствительность |
| Биологический результат | Гибель клетки, репродуктивная потеря, мутации при ошибочной репарации | Те же последствия, но через химически опосредованное повреждение мишеней |
Практическое значение различия заключается в прогнозировании радиочувствительности опухоли и нормальных тканей. Повреждения, возникающие при прямом и опосредованном механизмах, могут репарироваться, фиксироваться как мутации или приводить к апоптозу и митотической катастрофе. В лучевой терапии результат определяется не только видом первичного взаимодействия, но и распределением дозы, фракционированием, оксигенацией и радиочувствительностью клеток. Поэтому оценка биологического эффекта всегда включает анализ как физического трека излучения, так и последующих клеточных процессов.