1.6. Денатурація білкових тканин за дії інтенсивного випромінювання оптичного діапазону.

До електромагнітного випромінення оптичного діапазону відносять видиме світло, інфрачервоне випромінювання і ультрафіолетове випромінювання, охоплює електромагнітні хвилі з умoвними межaми вiд 1 нм дo 1 мм. Дія випромінення оптичного діапазону на біологічні системи полягає у наступному:

 під дією інфрачервоного випромінювання в організмі викликається відчуття тепла;

 під дією випромінювання видимого діапазону – в організмі відбуваються зорові реакції, фотосинтез (утворення органічних сполук за рахунок енергії світла), фототаксис (рух мікроорганізмів до світла та від нього); фототропізм (повертання листя і стеблин рослин до світла та від нього);

 під дією ультрафіолетового випромінювання – в організмі відбувається синтез вітаміну D, можливе виникнення еритеми (почервоніння шкіри, яке викликане розширенням кровоносних судин шкіри), загар шкіри (через утворення в шкірі пігменту меланіну), а також канцерогенні прояви (утворення пухлин), здійснюється бактерицидний ефект. Процеси, що відбуваються в біологічних системах при впливі випромінювання оптичного діапазону, називаються фотобіологічними. Виділяють наступні їхні стадії:

 фотофізичну – поглинання кванта світла й перенесення енергії

збудженого стану;

 фотохімічну – хімічні перетворення молекул;

 фізіологічну – відповідь організму на випромінювання.

Вплив ультрафіолетового випромінювання на біологічні об’єкти.

Залежно від дії на біологічні об’єкти, в ультрафіолетовому діапазоні виділяють три зони:

 А-зона, або антирахітна (λ = 400…315 нм), – викликає синтез вітаміну D;

 B-зона, або еритемна (λ = 315…280 нм), – викликає утворення еритерми і сприяє синтезу пігменту меланіну, який поглинає кванти світла і одночасно є антиоксидантом (антиоксиданти – це сполуки, які зв’язують вільні радикали);

 С-зона, або бактерицидна (λ = 280…200 нм), – викликає мутації, канцерогенез, здійснює бактерицидний ефект; енергія випромінювання цього діапазону (3,1-6,8 еВ) є достатньою для дисоціації та іонізації молекул.

Біологічний ефект ультрафіолету передусім визначається змінами, які він викликає у структурі білків, нуклеїнових кислот, а також біологічних мембран. Амінокислоти, що входять до складу білків, мають максимуми поглинання в діапазоні довжин хвиль λ = 180…190 нм за рахунок пептидних зв’язків. Крім того, ароматичні амінокислоти: фенідаланін, тирозицин і триптофан мають допоміжні максимуми поглинання (λmax = 258, 280 й 285 нм відповідно) за рахунок ароматичних груп. Через те, що опромінення ультрафіолетом (як природнє, так і штучне) найчастіше відбувається при λ > 240 нм, та основний внесок у фото ушкодження білків вносять саме ароматичні амінокислоти. Дія ультрафіолетового випромінювання на білкові молекули здатна призвести до розриву дисульфідних містків між поліпептидними ланцюгами до утворення вільних радикалів. Особливо ці ушкодження небезпечні, якщо торкають активного центра фермента, що може викликати його інактивацію.

Поглинання ультрафіолету нуклеїновими кислотами зумовлене наявністю у них пуринових і пиримидинових основ (λmax =260 нм). Із сполук, що входять до складу нуклеїнових кислот, більш чутливими до дії опромінення є пиримидинові основи (цитозин, тимін й урацил), хоча фотопошкодження можуть виникати також у пуринових основах (аденін, гуанін), і вуглеводних компонентах. Фотопорушення нуклеїнових кислот можуть привести до появи мутацій, канцерогенезу і, навіть, до загибелі клітини. Часто ці порушення гальмують нормальне проходження процесів транскрипції і реплікації нуклеїнових кислот, що виключає можливість нормального поділу клітин. Іноді фотопорушення молекул можуть бути викликані не безпосереднім поглинанням випромінювання певною молекулою, а її взаємодією з іншою молекулою, яка поглинула квант світла і перйшла у збуджений стан. Сполуки, які підвищують чутливість біологічних об’єктів до світла, називаються фотосенсибілізаторами, а реакції, які викликані ними фотосенсибілізованими. Фотосенсибілізованими реакціями виступають порушення мембранних ліпідів внаслідок впливу ультрафіолетового випромінювання. Це відбувається завдяки тому, що максимум поглинання ліпідів приходиться на λ< 220 нм, а довжина хвилі традиційного УФ-випромінювання перевищує 240 нм. Ультрафіолетове випромінювання викликає появу в мембрані вільних радикалів R. (наприклад, радикалів води, амінокислот тощо), які спроможні викликати ланцюгові реакції перекисного окислення ліпідів. Порушення ліпідів підвищує іонну проникність мембрани, порушує її стабільність та нормальне функціонування мембранних компонентів. Порушені під дією ультрафіолетового випромінювання молекулярні структури здатні оновлюватися за допомогою р е п а р а ц і й н и х с и с т е м організму, але здатність останніх залежить від багатьох факторів.

Стадії дії опромінення: нагрівання – денатурація (коагуляція ) при Т>43С , незворотна денатурація при Т>55С – абляція (видалення тканин).

При нагріванні структура білка порушується і може втворитися одна велика глобула, при подальшому нагріванні іде абляція.

1.7. Імовірність двофотонних процесів.

В однофотонних процессах при зникненні або народженні одного фотона речовина змінює свій стан – переходить з одного енергетичного рівня на інший. Крім однофотонних процесів взаємодії світла з речовиною, існує ціла низка інших процесів, у яких в одиничному акті взаємодії беруть участь (тобто зникають або народжуються) два або більше фотонів. Такі процеси називаються багатофотонними.

На рис 2, а представлене так зване двофотонне поглинання – процес, у результаті якого два фотони зникають і речовина змінює свій стан (переходить з рівня n на більш високий рівень k ). Важливо, що в даному випадку зникнення двох фотонів – це одиничний акт, а не послідовність двох актів поглинання, тобто неможна сказати, що спочатку зникає один фотон, а потім інший. Можна вважати, що придвофотонному поглинанні обидва фотони зникають одночасно

Характерною рисою всіх багатофотонних процесів є їх мала ймовірність. Зазвичай спостерігається така закономірність: чим більше фотонів бере участь в елементарному процесі, тим менша його ймовірність. Імовірність двофотонного поглинання зазвичай значно менша, ніж імовірність однофотонного поглинання, але водночас вона значно більша, ніж імовірність трифотонного поглинання.

Тут B₂₃-коефіцієнт Енштейна, який характеризує імовірність переходу с-ми з рівня 2 на рівень 3(поглинання).

1.8. Механізми абляії тканин за дії лазерного випромінювання.

З конспекту:

Механізм дії лазерного випромінювання на тканини:

нагрівання ® денатурація(коагуляція)®обляція(видалення)

Механізм абляції:

1. Гідроліз

2. Випаровування води

3. Піроліз – термічне розпадання за відсутності води

4. Окислення, горіння(призводить до карбонізації)

5. Фотодисоціація

6. Фотоіонізація

7. Акустичні хвилі

Залежність абляції від параметрів випромінювання:

1) Nd³⁺ : 1,06 мкм, потужність Р=100Вт;

тут відбувається поглинання не водними компонентами®нагрівання®коагуляція(глибинна) ®випаровування, висушування®окислення(горіння зазвичай не наступає)

Зазвичай Nd³⁺не використовують для абляції

2) CO₂ : 10,6 мкм (випромінювання цього лазера гарно поглинається водою). Він як правило використовується в неперервному режимі з Р=100Вт

поглинання водою ® нагрівання ® взривне кипіння ® викид біофрагментів(в результаті формується абляцій ний кратер)

зазвичай він використовується для поверхневої коагуляції, він викор для зупинки кровотечі або зварювання судин

3) Ho³⁺: 2,12мкм. Зазвичай викор в імпульсному режимі де t_імп=10-100 мкс. Це випромінювання вода поглинає не сильно, але його добре поглинають камінці(в нирках,…)

Поглинання водою ® розплавлення ® розплавлені клітини киплять і йде викид

4) ArF : 193 нм(ультрафіолетовий лазер). Його поглинає вода, але в основному його поглинають неводні компоненти(наприклад білок). Він працює в імпульсному режимі, де t_імп=20нс з E_імп=0,1 Дж.

Білок ® фотодисоціація(фрагментація) ® викид фрагментів дисоціації

Таку абляцію називають ”холодна абляція”, вона дуже поверхнева(шар, який видаляється ~10нм)

Матеріал з книжки Серебрякова:

Фотоабляция тканей (испарение с выносом материала) может быть разделена на 3 категории в соответствии с длительностью лазерного импульса t_p.

1. Абляция квази-непрерывным излучением t_p > τ_t

Длительность облучения t_p превышает время термодиффузии ткани τ_t. Например, резка ткани cw или квази-cw CO2 лазером. Время термодиффузии τ_t определяется, как время необходимое поглощенной лазерной энергии прогреть ткань на оптическую глубину проникновения лазерного излучения xopt (laser affected zone) при пятне облучения большем глубины проникновения: τ_t = x²_opt / 4χ = 1/4χ μ²_eff ,

где χ температуропроводность, x_opt оптическая глубина проникновения лазерного излучения (коллимированная лазерная энергия уменьшается до 37% (1/e) падающей энергии) связана с коэффициентом экстинции ткани μ_eff как:

x_opt (λ) = 1 / μ_eff (λ)

где λ длина волны, μ_eff= μ_a +μ_s’= μ_a+(1- g)μ_s, μ_a – коэффициент поглощения ткани.

Процесс абляции начинается, когда критическая плотность энергии (пороговая теплота абляции E_th - функция теплофизических свойств ткани, величина постоянная) поглощается в объеме ткани. Для воды:

E_th= ρ(C_v ΔT+ h_abl) ≈ 2580 Дж/cм³,

где ρ плотность ткани, C_v теплоемкость, ΔT(K) подъем температуры при абляции, и h_abl (Дж/г) скрытая теплота испарения. Порог абляции Φ_th (Дж/cм²) связан с теплотой абляции через коэффициент поглощения ткани

Φ_th = E_th / μ_a = ρ(C_vΔT + h _abl) / μ_a

Это теоретический порог абляции, экспериментальный порог много ниже. Это объясняется тем, что при абляции выносится также часть ткани, которая еще не получила критической энергии абляции.

2. Тепловое удержание (Thermal confinement condition) τ_t > t_p > τ_s

Лазерные импульсы короче времени термодиффузии τ_t, но длиннее времени пробега акустической волной оптической глубины проникновения τ_s

τ_s = x_opt/ V_s =1/ μ_eff

где V_s скорость звука в ткани (V_s=1500 м/сек). Тепловое удержание t_p< τ_t обеспечивает максимальную температуру, но допускает акустическую релаксацию в течение импульса и, следовательно, более низкие акустические напряжения, чем для более коротких импульсов.

Тепловое удержание делится на два вида:

а) Равновесная или стационарная абляция (Steady-state ablation) Выброс материала происходит во время лазерного импульса, т.е. одновременно с облучением ткани (пример, разрушение опухолей мсек лазерными импульсами). Такой процесс предполагает фиксированную плотность энергии на единицу массы ткани. Это адекватно процессу абляции (скорость выноса массы уравновешивается доставкой лазерной энергии к ткани).

1.Равновесная абляция начинается с поглощения первичной, критической энергии абляции E_th.

2.Энергия абляции доставляется к ткани постепенно в течение импульса, фронт испарения материала движется с постоянной скоростью до конца лазерного импульса. Модель предсказывает линейную зависимость глубины абляции от поглощенной энергии. δ_abl = (Φ_o/Φ_th -1)/μ_a

б) Взрывная абляция (Blow-off ablation) Выброс материала происходит после окончания лазерного импульса Модель взрывной абляции была впервые разработана для объяснения процесса скрайбирования полимеров излучением УФ лазеров и затем была использована для описания абляции биотканей.

Применение этой модели требует выполнения 4-х условий:

1. Длительность импульса короче времени термодиффузии – условие теплового удержания.

2. Закон Lambert-Beer описывает пространственное распределение поглощенной энергии E в ткани.

3. Удаление материала начинается только после окончания лазерного импульса. Это условия почти всегда выполняется при длительности импульса ≤100 нсек.

4. Пороговая (критическая) поглощенная энергия излучения E_th требуется для инициирования абляции (меньшая поглощенная энергия только нагревает ткань).

3. Инерциальное удержание (stress confinement condition) τ_p < t_p < τ_s

При быстром разогреве, когда время акустической релаксации τ_sзоны энерговыделения существенно больше длительности лазерного импульса t_p, разогрев вещества происходит почти при неизменном объеме. Давление термоупругого отклика в облученном веществе пропорционально поглощенной энергии. Амплитуда и временная структура термоупругих напряжений определяются скоростью звука в среде V_s, длительностью лазерного импульса t_pи глубиной прогретого объема 1/μ_eff.

Когда ткань облучается очень короткими импульсами, в замкнутом объеме в результате быстрого подъема температуры со скоростью до 1010 K/сек возбуждаются волны напряжений (акустические и ударные волны) и абляция ткани индуцируется этой механической энергией (фотомеханически индуцируемая абляция), нагрев зоны проникновения излучения (laser-affected zone) сопровождается “взрывом”. Вокруг лазерного кратера наблюдаются механические повреждения каверны и разрывы.

Короткие лазерные импульсы создают самые высокие температуры и акустические напряжения на единицу вложенной энергии. Быстрое лазерное нагревание жидкостей приводит к их сильному перегреву. При этом скорость образования пузырей растет по экспоненте, вызывая фазовый взрыв, сопровождающийся сильными ударными волнами, которые распространяются в ткани со сверхзвуковой скоростью. Ударная волна вызывает абляцию и разрывы внутри материала. Ударные волны могут быть произведены как при расширении и коллапсе пузырей (“взрывное кипение”), так и при расширении плазмы.

1.9. Методи підедення лазерного випромінювання до біологічних тканин.

1.10. Вимоги до оптоволоконних систем підведення випромінювання.

Піддаватися стерилізації для багаторазових, бути стерильним для одноразових

Здатність витримувати високі інтенсивності випрмінювання без деструкції ,
-час імпульс.

Достатня гнучкість

Потрібно щоб виконувалося повне внутрішнє відбиття для рідин в тілі

числова апертура

Прозорість у області терапевтичного вікна, точніше для використаних довжин хвиль в установці

Малі втрати під час передавання(розсіяння поглинання)

Бути стабільним для умов використання (в середині тіла наприклад), Безпечність використання (Не токсичність)

Міцність

Надійність та Ціна

1.11. Фотосенсибілізація. Фотодинамічна терапія.

Фотосенсибіліза́ція — явище підвищення чутливості організму (частіше шкіри і слизових оболонок) до дії ультрафіолетового або видимого випромінювань.

Фотодинамічний ефект - необортне пошкодження забарвлених біологічних структур при опроміненні. метод став можливим через те що ракові клітини здатні накопичувати у собі барвники.

Суть методу ФДТ полягає у тому, щоб доставити фотосенсибілізатор до ракових клітин, після чого активувати його випромінюванням, що призведе до утворення вільних радикалів, синглетного кисню та загибелі цих клітин.

Терапевтичне вікно

Випромінювання з довжинами хвиль >660 нм забезпечує хорошу проникність в тканини і має ще достатню енергію фотонів, а для довжин хвиль >850-900 нм, фотони не мають достатньої енергії для проведення фотохімічних реакцій. Хоч і без різкої границі, максимальна глибина проникнення для ФДТ досягає 10-11 мм (10 % світла досягає пухлини). Тому область довжин хвиль між 660 и 800 нм була визначена як “Терапевтичне вікно ” для ФДТ.

Основним вражаючим фактором ФДТ дії є активні форми кисню (АФК), які постійно утворюються в аеробних клітинах. Основним їх джерелом є мітохондрії, в дихальному ланцюжку яких поряд з відновленням молекулярного кисню до води, проходить паразитна реакція одно-, трьох-електронне відновлення молекулярного кисню із наступним утворенням різних АФК (вільний радикал – супероксид-аніон O₂(-), перекис водню Н₂O₂ и найактивніший радикал – гідроксил •OH).

Крім того при дії світла електронно-збуджені молекули, внаслідок надлишку енергії, краще вступають в хім. взаємодію з іншими молекулами (фотохімічні реакції), при цьому ймовірність вступити в реакцію з синглетного S1 и триплетного Т1 рівнів різна. Енергія молекули в синглетному стані більша, але в синглетному стані молекула живе 10^-8-10^-3 сек, в триплетному – близько секунди.

Реакція 2 типу з утворенням синглетного кисню:

Реакція першого типу з утворенням вільних радикалів:

Активний кисень як і інші вільні радикали починає активно окислювати ліпіди білки й інші біомолекули клітин, що призводить до їх руйнування.

Фотосенсибілізатори

Основні вимоги до сенсибілізаторів:

1. мають мати високу селективність до ракових тканин і слабко накопичуватися в нормальних тканинах та шкірі

2. мати низьку токсичність і легко виводитися з організму

3. мати гарну люмінісценсію для точного визначення положення пухлини

4. мати високий квантовий вихід триплетного стану з енергією не менше 94 кДж/моль;

5. мати інтенсивний максимум поглинання в області 660-800 нм.

Для цих цілей крім порфіринів(660нм) активно використовують фотосенсибілизатори другого покоління, в першу чергу хлоринів и фталоціанінів( максимум поглинання 720 и 690 нм)

1.12. Лазерна літотрипсія.

Літотрипсія — медична процедура, націлена на фізичне руйнування твердих побічних утворень в тілі людини, таких як ниркові камені, камені в жовчному міхурі та камені в шлунково-кишковому тракті. Камені можуть відрізнятися за розмірами та хімічним складом.

В якості фізичних факторів, що використовуються для руйнування твердих утворень використовуються механічні ударні хвилі. Використовуються також інтенсивні електромагнітні хвилі (лазерне випромінювання).

В медичній практиці реалізуються декілька типів літотрипсії:

1. Дистанційна (екстракорпоральна) дітотрипсія, коли камені руйнуються під дією ударних хвиль, що генеруються поза тілом пацієта і спеціальними засобами фокусуються на камені.

2. Контактна літотрипсія. Джерело енергії, необхідної для руйнування каменю, підводиься до нього з допомогою спеціального ендоскопу без хірургічного втручання. Розрізняють три способи реалізації процедури контактної літотрипсії в залежності від фізичного механізму руйнування каменю.

· Ультразвукова літотрипсія, коли з камнем контактує джерело ультразвукових коливань,

· Пневматична літотрипсія. Дія на камінь здійснюється механізмом, схожим на відбійний молоток. Точно спрямовані імпульси здатні швидко роздробити камінь.

· Лазерна літотрипсія. Досить широко використовується в медичній практиці. Енергія до каменю підводиться від зовнішнього лазера по тонкому світоводу.

В певних умовах ендоскопічне введення приладу для руйнування каменю здійснюється з виконанням невеликого проколу в тілі пацієнта (перкутанна) літотрипсія.

Механізм лазерного руйнування

В процедурі лазерної літотрипсії імпульс лазерного випромінювання передається безпосередньо до каменя по волоконно-оптичному каналу. Процедура здійснюється при локальному або загальному знеболюванні і вважається мінімально інвазивним хірургічним втручанням. В системах лазерної літотрипсії використовується гольмійовий лазер, що працює в інфрачервоному діапазоні частот. Лазерні імпульси генерують ударні хвилі, які на фоні локального підвищення температури призводять до руйнування каменю потенційно до дуже мілких частинок. При цьому за рахунок комплексної дії руйнуються камені і тих типів, при руйнуванні яких процедура дистанційної ударно-хвильової літотрипсії виявляється неефективною.

Методи генерації ударних хвиль

Для генерації ударних хвиль використовуються пристрої з різними способами перетворення електричної енергії в енергію інтенсивних ультразвукових хвиль. Використовують три типи генераторів:

1. Електрогідравлічний. Хвильове збурення в об'ємі генерується з використанням електричного розряду (Електрогідравлічний ефект). В плазмовому каналі розряду виділяється значна енергія для генерації хвилі стиску в воді. З допомогою спеціального пристрою здійснюється концентрація енергії в невеликому об'ємі, що охоплює камінь, що має бути зруйнований.

2. П'єзокерамічний. Перетворення електричної енергії в акустичну досягається з використанням матеріалів з п'єзоефектом.

3. Електромагнітний.Використовуються електромагнітні системи генерації хвиль. Механізм генерації хвиль аналогічний механізму генерації коливань механічних елементів звичайних гучномовців.

Ударні хвилі в усіх пристроях генеруються у вигляді коротких імпульсів. Максимальна величина тиску в імпульсі в фокусі коливається в межах 35-120 МПа. Під час одного сеансу лікування генерується від 1000 до 4000 імпульсів.

1.13. Використання лазерів в офтальмології.

офтальмології (набраний текст із конспекта, підчеркнутим - роз’яснення з книги серебрякова взяті зі стор. 175-182)

1.Лікування глаукоми – захворюваня, при якому підвищується тиск в скловидному тілі. Лазер використовується для для утворення мікроотворів.

а) аргоновий лазер 488-514, 1 Вт (не імпульсний)

б) Nd³⁺ неодимовий лазер

в) СО₂ -10,6

Лазерная Трабекулопластика (LT)

Наиболее часто применяемые виды лазерного хирургического вмешательства при хронической глаукоме являются трабекулопластика (лазерная фотокоагуляция трабекулярной сети глаза) и при острой глаукоме - иридотомия (создание функциональной связи между передней и задней камерами с помощью отверстия в радужной оболочке). Механизм действия сине-зеленого Ar (ALT, λ= 488 - 514 нм), зеленого Nd:YAG (SLT, 532 нм) и Ti:Saphire лазеров (TLT,790 нм), используемых для трабекулопластики, основан на селективном удалении части ткани из трабекулярной сети (ТМ), улучшающем тем самым отток жидкости.

Транссклеральная коагуляция - операция при глаукоме, выполняется на цилиарном теле глаза (Рис. 6.5, справа),который создает водянистую жидкость, для уменьшения ее производства. Это в свою очередь уменьшает давление в глазу.

Транссклеральная коагуляция пигментного эпителия цилиарного тела (без поглощения в склере) выполняется Nd:YAG лазером (20 - 40 лазерных коагулятов, 1,06 мкм, > 20 мсек) на щелевой лампе с местной анестезией.

2.Ритинопатія – патологія з сітківкою

В отличие от глаукомы лазер успешно используется при лечении диабетической ретинопатии - наиболее частого заболевания сетчатки. При диабете происходит изменение мелких ретинальных кровеносных сосудов – окклюзия капилляров (ретинальная ишемия). Возрастающий дефицит обеспечения сетчатки кислородом приводит образованию новых сосудов (неоваскуляризация), прорастание которых из сетчатки в стекловидное тело сопровождается кровоизлиянием и нарушением зрения. Для уменьшения неоваскуляризации необходимо разрушить от 20% до 30% поверхности сетчатки путем рубцевания.

“Приварка” сетчатки осуществляется точечной коагуляцией (до 1000-3000 коагулятов) непрерывным аргоновым лазером (~1 Вт, сеанс 0,2 сек/коагулят) с использованием щелевой лампы и контактных линз (f=17мм). Ar лазер обладает максимальным поглощением в ретинальном пигментном эпителии

3.Корекція зору

Фоторефрактивная кератотомия (photorefractive keratectomy, PRK) - удаление роговичного эпителия, стала самой ранней лазерной рефрактивной операцией. Эпителий удалялся ручным шабрением, криофрезерованием, химическим удалением, а с 1995 эксимерным лазером. Возможно наиболее важная проблема в процедуре PRK - центровка удаляемого слоя по зрачку. Децентрировка приводит к блику, гало, и другим проблемам.

LASIK (Laser-Assisted in Situ Keratomileusis) использует ту же самую технологию, как и PRK.

Микроскопический нож (microkeratome) создает откидной клапан (flap), включающий эпителий и Боумановский слой. Открывшаяся строма обрабатывается эксимерным ArF лазером. После выполнения абляции, откидной клапан возвращается на старое место, зашивается, или покрывается защитной контактной линзой (наиболее общий метод).

Даже при частоте повторения импульсов 100 Гц температура роговицы, никогда не поднимается более чем на ~1^оС,т.е. тепловые эффекты в течение лазерной рефрактивной хирургии крайне незначительны. Тем не менее, LASIK использует вакуумное всасывание, вызывающее отсос абляционного факела из зоны воздействия.

LASEK (laser-assisted subepithelial keratomileusis) – субэпитальная альтернатива LASIK (2003) - раствор алкоголя применяется для ослабления границы эпителия, создавая эпителиальный клапан и удаляя поверхностную ткань.

Потенциальные преимущества LASEK - устранение стромальных осложнений клапана и возможность выполнить рефракционную лазерную хирургию на пациентах с относительно тонкой роговой оболочкой. LASEK вырезает только внешнюю поверхность роговой оболочки, в то время как LASIK делает более глубокий разрез.

2. Цимбалюк

2.1. Проникаюча здатність іонізуючих випромінювань.

• Проникаюча здатність - це шлях, який хвиля або частинка здатна проходити в речовині.

• Проникаюча здатність знаходиться в зворотній залежності від маси випромінювання та від відстані пробігу:

І(l)=I(0)•e^(-k•l), де k - лінійний коефіцієнт послаблення (поглинання) матеріалу та l - товщина матеріалу.

У випадку електромагнітного випромінювання повного поглинання досягти проблематично, використовують показник лінійного коефіцієнта послаблення - відносне зниження енергії випромінювання після проходженні 1см речовини.

Напівослаблення квантів з початковою енергією 2.5 МеВ:

Матеріал

Товщина

Повітря

Дерево

Бетон

свинець

200м

25см

10см

1.8мм

Проникаюча здатність корпускулярного випромінювання.

відносно велика проникаюча здатність у незаряджених частинок (нейтронів), а для заряджених частинок вона визначається масою, енергією та швидкістю руху частинки:

Альфа-випромінювання (α-випромінювання) – іонізуюче випромінювання, яке являє собою потік відносно важких частинок (ядер гелію, що складаються з двох протонів і двох нейтронів), що випускаються при ядерних перетвореннях. Енергія частинок складає декілька мегаелектрон-вольт і різна для різних радіонуклідів. При цьому деякі радіонукліди випускають α-частинки кількох енергій. Цей вид випромінювання, маючи малу довжину пробігу частинок, характеризується слабкою проникаючою здатністю, затримуючись навіть листком паперу. Наприклад, пробіг α-частинок з енергією 4 МеВ в повітрі складає 2,5 см, а в біологічній тканині лише 31 мкм. Випромінювання практично не спроможне проникнути через зовнішній шар шкіри, утворений відмерлими клітинами. Тому α-випромінювання не небезпечне до тих пір, поки радіоактивні речовини, що випускають альфачастинки, не потраплять всередину організму через органи дихання, травлення або через відкриті рани і опікові поверхні. Ступінь небезпеки радіоактивної речовини залежить від енергії частинок, які нею випускаються. Оскільки енергія одного атома складає одиниці-десятки електрон-вольт, кожна α-частинка здатна іонізувати до 100000 молекул усередині організму.

β-частинки мають малу масу та велику швидкість - тому вони слабко втрачають енергію на іонізацію речовини і здатні проходити досить великі відстані. Траєкторія руху β-частинок звивиста внаслідок зміни електричними полями зустрічних атомів. Пробіг β-часток в повітрі може досягати декількох метрів, а в біологічній тканині декількох сантиметрів. Так, пробіг електронів з енергією 4 МеВ в повітрі складає 17,8 м, а в біологічній тканині 2,6 см. Однак вони легко затримуються тонким листом металу. Як і джерела α-випромінювання, β-активні радіонукліди більш небезпечні при попаданні всередину організму.

Гамма-випромінювання має набагато більшу проникну здатність, оскільки складається з високоенергетичних фотонів, що не мають заряду; для захисту ефективні важкі елементи (свинець і так далі).

Проникаюча здатність нейтронного випромінювання зіставна з γ-випромінюванням. Теплові нейтрони ефективно поглинаються матеріалами, що містять бор, графіт, свинець, літій, гадоліній і деякі інші речовини; швидкі нейтрони ефективно сповільнюються парафіном, водою, бетоном тощо.

2.2. Загальні властивості дії іонізуючих випромінювань на біологічні об'єкти.

При опроміненні біологічного об’єкту вважають,що 50% поглинутої дози йде на воду, а інші 50% поглинаються органелами і розчиненими в клітині речовинами. Дія іонізуючого випромінювання: непряма та пряма дії.

1. Непряма дія. Зумовлена враженнями молекули , в результаті взаємодії її з хімічними продуктами, що утворюються під дією випромінювання.

(пов’язана з поглинанням енергії випромінювання молекулами води)

a) i

Виникають іони води, що утворюють ряд радикалів

Основний ефект радіаційного враження в даному випадку зумовлений радикалами спостерігається при опроміненні води в присутності О₂

b) Кисневий ефект – це посилення променевого враження при підвищенні концентрації кисню, в порівнянні з враженнями при анаеробних умовах. Він перетворює потенційно летальні реакції у летальні. Спостерігаються пошкодження ДНК, вуглеводів, тощо.

2. Пряма дія. Безпосередня взаємодія зарядженої частинки з біомолекулою.

або ж

Процеси, що призводять до ураження біомолекул – це дисоціація на молекулярні продукти і взаємодія їх з сенсибілізаторами (наприклад, киснем)

Радіаційне враження поділяється на такі стадії (1_2 слайд 12):

1. Фізико-хімічний етап: іонізація і збудження атомів і молекул,

2. Хімічний етап: утворення вільних радикалів,

3. Біомолекулярний етап: пошкодження білків, нуклеїнових кислот, ліпідів,

4. Ранні біологічні ефекти: загибель клітин, організму,

5. Віддалені біологічні ефекти: пухлини, генетичні аномалії, загибель організму

Розглянемо радіаційні ефекти опромінення людей:

1. Соматичні: гостра та хронічна променева хвороба, локальні променеві ураження

2. Соматико-стохастичні: зменшення тривалості життя, лейкоз (злоякісні зміни кровотворних клітин), злоякісні пухлини в різних органах і тканинах

3. Генетичні: домінантні генні мутації (проявляються у першому поколінні), рецесивні генні мутації (проявляються, якщо у обох батьків однаковий ген був пошкоджений), хромосомні аберації

2.3. Відносна біологічна ефективність випромінювань.

Відносна біологічна ефективність випромінювання (ВБЕ, RBE) – це відношення біологічної ефективності досліджуваного випромінювання до біологічної ефективності заданого випромінювання (частіш за все рентгенівського з енергією 200 кеВ, інколи гамма – випромінювання).

ВБЕ оцінюють порівнянням дози випромінювання, що викликає певний біологічний ефект, з дозою стандартного випромінювання, що викликає той самий біологічний ефект.

В першому наближенні можна казати, що ВБЕ залежить лише від лінійної передачі енергії (ЛПЕ). ЛПЕ – енергія, яку передає іонізуюче випромінювання в речовині на одиницю довжини пробігу.

Реальна залежність ЛПЕ і ВБЕ зображена на рисунку

rbe - let

Вводять такі вагові коефіцієнти для різних типів випромінювання: гамма випром , електронне , нейтронне , α-випромінювання

2.4. Принципи теорії мішені. Ефективний об'єм мішені.

(ст. 74 усіх лекцій разом)

Принцип влучення і мішені: в організмах можна виділити частини з надзвичайною (порівняно з іншими частинами) чутливістю до іонізуючого випромінювання, влучення в які призводить до враження всього об'єкта.

Мішень — чутлива частина об'єкта (наприклад, ДНК клітини), влучення в яку іонізуючого випромінювання призводить до враження усього об'єкта.

Одноударна мішень: влучення в певну чутливу область (мішень), під час якого відбувається одиничний перенос деякої мінімальної кількості енергії, достатньо для досягнення і реєстрації ефекту пошкодження.

Нехай ми опромінюємо систему, яка складається з N₀ об’єктів, кожен з яких має мішень (з площею перерізу s і об’ємом v).

Нехай для інактивації системи достатньо, щоб трек ІВ пройшов через переріз мішені (ця подія - потрапляння)

Такі передбачення експериментально підтверджуються для ІВ з високою щільністю іонізації (α-випромінювань)

Кількісні закономірності теорії мішені:

Коли траєкторії частинок розподіляються в межах мішені випадковим чином, то ймовірність n-потраплянь в мішень:

а –найімовірніша (і середня) кількість потраплянь в мішень

Коли D – середня кількість частинок, які пролітають через одиничний переріз s (і s – переріз мішені), тоді

Коли N₀ – загальна кількість об’єктів (клітин тощо) в опромінюваній системі, а N – кількість клітин, в які не влучило ІВ (“вижили”), то ймовірність непотрапляння (N/N₀) (при n=0):

При sD=1 виживають 37% об’єктів. Відповідна доза – D₃₇ – доза ІВ, яку називають: 37%-ова, інактивуюча, середня летальна.

За цих умов теоретично на 1 мішень припадає 1 частинка ІВ

Ефективний об’єм мішені

Коли розглянути електромагнітні ІВ, які характеризуються значно меншою густиною іонізації, можна визначити також ефективний об’єм одноударної мішені.

Нехай в системі є N₀ об’єктів з мішенню об’ємом v, причому для її інактивації достатньо одної іонізації. Ймовірність потрапляння в мішень n-разів описується законом:

Знову, при n=0:

Аналогічно: при vD=1 маємо дозу D₃₇ і можемо визначити ефективний об’єм мішені:

2.5. Унікальні та масові структури клітини. Багатоударні мішені.

Надійність біологічної системи – це її здатність виконувати специфічні функції з заданими характеристиками протягом необхідного періоду часу.

Надійність клітини як біологічної системи в значній мірі залежить від неушкодженості унікальних структур клітини – зокрема, ДНК, яке знаходиться в одиничній копії (особливо, у випадку гаплоїдних клітин).

Інші макромолекули формують масові структури клітини (зокрема, це РНК), оскільки вони можуть бути відтворені у непошкодженому стані.

Одноударні та багатоударні мішені

Принцип мішені твердить, що реакція клітини на опромінення залежить від того, влучить чи ні квант або частинка іонізуючого випромінювання у певний життєво важливий об'єм клітини —її "мішень" (напр., молекулу дезоксирибонуклеїнової кислоти). Імовірність цього влучення залежить від об'єму "мішені" й описується рівнянням Пуассона. Іноді для вияву радіобіол. ефекту необхідно не одне, а два, три і більше влучень у "мішень" (це — "дво-, три- або багатоударні "мішені").

Критерії одноударності мішені:

lin

1- лінійність графіка в координатах [ ln(N/N0) ; D ]:

2- ефект, який спричиняє певна поглинута доза не залежить від потужності дози і від того, якими частинами об’єкт отримував дозу,

(Коли умова не виконується – має місце кумулятивний ефект)

3- при однаковому ефекті доза, яка його спричиняє, зростає при переході від ІВ з низькою до ІВ з високою густиною іонізації.

Критерії багатоударності мішені:

1- лінійність графіка в координатах [ ln(N/N0) ; D ] втрачається:

Чим вища “ударність” мішені, тим більш виражене “плече”

2 – теоретична залежність:

2.6. Структурно-метаболічна теорія.

Своєрідною інтегральною теорією, що пояснює біологічну дію іонізуючих випромінювань є структурно-метаболічна теорія (1976). Автор цієї теорії А. М. Кузін вважає, що порушення під дією радіації обумовлені деструкцією всіх основних біополімерних молекул, цитоплазматических і мембранних структур в живій клітині.

Принцип багатофакторності проявів радіобіологічних реакцій, який передбачає наступні спільні властивості:

1 – передавання енергії ІВ здійснюється дискретно,

2 – ІВ діють не тільки безпосередньо, але й опосередковано,

3 – для всіх клітинних структур характерні радіобіологічні ефекти,

4 – генетичні зміни успадковуються,

5 – у клітині одночасно відбувається не лише пошкодження, але й відновлення (репарація),

6 – будь-який радіобіологічний ефект розвивається в часі.

У цій теорії провідна роль у радіаційному ефекті приділяється порушенням у клітинному ядрі і біомембранах. Біомембрани грають виключно важливу роль в діленні клітини. Експериментально було показано, що ДНК пов'язана з біомембранами: початок розплітання спіралі і синтезу ДНК відбувається в точках її прикріплення до мембрани. На поверхні біомембран є особливі рецептори, які передають сигнали гормонів через ліпіди мембран. Ліпіди мембран, піддаючись впливу іонізуючої радіації, в присутності кисню утворюють пероксиди та продукти їх розпаду. Ці зміни призводять до порушення проникності мембран і важливих метаболічних процесів: інактивації ферментів, гормонів, придушення енергетичних функцій мітохондрій і синтезу ДНК і РНК, розладу керуючих систем і інших тяжких наслідків.

Таким чином, в структурно-метаболічної теорії до радіаційного ураження ядерних макромолекул як фактору прямої дії відповідно до теорії мішені додаються порушення цитоплазматичних структур і зміна нормального їх функціонування.

А. М. Кузін ввів поняття про речовини, що впливають на геном клітини, і назвав їх тригер-ефекторами- речовини, які виникають при опроміненні клітин. Під дією різних доз радіації тригер-ефектори (семіхінони, хінони, гормони та ін.) залежно від їх концентрації можуть надавати депресивну або репресивну дію на геном клітини, а отже, і на біосинтетичні процеси. Саме іонізуюче випромінювання розглядають як неспецифічний тригер-ефектор. Визнано, що іонізуюче випромінювання в числі інших факторів зовнішнього середовища є постійними подразниками біологічних об'єктів, своєрідним стрес-фактором. Реакція організму залежить від сили подразника (від дози іонізуючого випромінювання). Під впливом радіації в організмі не виникає принципово нових хімічних сполук. Деякі з токсичних метаболітів завжди в невеликих кількостях містяться в клітинах здорових тканин. Під дією радіації вміст їх значно збільшується і додатково з'являються нові токсичні сполуки. Первинні радіотоксини утворюють велику кількість вторинних радіотоксинів, які відіграють істотну роль у патогенезі і результаті променевих вражень.

Структурно-метаболічна теорія відрізняється більшою аргументацією і дає більш детальне уявлення про первинні механізми дії радіації на організм, яке в подальшому посилюється нейроендокринними і гуморальними реакціями, тобто опосередковано.

2.7. Типи радіаційної загибелі клітин. Проліферативна загибель клітин. Інтерфазна загибель клітин.

Загибель клітин при опроміненні залежить від міри їх диференційованості, проліферативної активності і тривалості мітозу (правило Бергоньє-Трибондо, 1906 р.)

Фази клітинного циклу:

G1 – початкового росту (синтез мРНК, білків),

S – реплікації (подвоєння ДНК),

G2 – росту,

М – мітозу,

G0 – спокою

Типи радіаційної загибелі клітин залежать від їх проліферативнї активності і стадії клітинного циклу:

Репродуктивна загибель (мітотична загибель, відстрочена загибель)

• (характерна для клітин, які в нормі активно проліферують, або штучно стимульовані до активної проліферації)

Інтерфазна загибель

• (характерна для диференційованих клітин, які знаходяться в інтерфазі)

dd 2

Доповнення:

Апоптоз і некроз – обидва характерні для проліферативної та інтерфазної загибелі клітин

• Мітотична катастрофа (підтип 1) – реалізація апоптичної програми власне в процесі мітозу; при цьому сегрегація хромосом не спостерігається, і клітина блокується в одній з фаз мітозу (зазвичай, в прометафазі і метафазі).

• Переважно реалізується за мітохондріальним шляхом (за активації ініціаторної каспази 9).

• Мітотична катастрофа (підтип 2) – постмітотична загибель поліплоїдних клітин – реалізація апоптичної програми після завершення аномального мітозу коли не відбувається розділення хромосом і утворення дочірніх клітин, в стадії G1.При цьому окремі ядра такої гігантської клітини переважно залишаються анеуплоїдними.

Причини МК: пошкодження ДНК (контролю мітозу), порушення веретена поділу (формування багатополюсного веретена поділу).

При порушенні процесів апоптозу (перевірка в точці рестрикції) поліплоїдних (зокрема, тетраплоїдних) клітин, вони здатні надалі здійснювати клітинний цикл і мітоз.

• Аутофагія – це деградація органел і цитоплазматичного матеріалу, яка здійснюється за участі внутрішньоклітинних мембранних структур. При цьому de novo формуються спеціалізовані структури – аутофагосоми – двомембранні структури з частинами вутрішньоклітинного вмісту.

• Коли аутофагосоми зливаються з лізосомами (аутофаголізосоми), відбувається розщеплення їх вмісту.

• Аутофагія запускається, зокрема, пошкодженням огранел (мітохондрій, пероксисом тощо)

Клітинний цикл і фази мітозу

кліт цикл

2.8. Радіочутливість клітин. Природа радіаційної смерті клітин. Пострадіаційне відновлення клітин – репарація.

Фази клітинного циклу:

G1 – початкового росту (синтез мРНК, білків),

S – реплікації (подвоєння ДНК),

G2 – росту,

М – мітозу,

G0 – спокою

У випадку виявлення пошкоджень клітина:

зупиняє цикл в G1, S, G2 фазах;
уповільнює реплікацію ДНК;
збільшує транскрипцію генів репарації;
індукує апоптоз

Виявлення пошкоджень ДНК здійснюють специфічні кінази – з надродини РІ3-кіназ.

Пошкодження реєструє протеїнкіназа Rad3, вона фосфорилює, активуючи, наступну кіназу, потім кіназа активує кіназу Chk1. Chk1 фосфорилює (Ser 33, 192, 359) CDC25. Фосфорильовані залишки серину – сайти зв’язування комплексу білків 14-3-3.

В групі з комплексом 14-3-3, СDC25 транслокується з ядра в цитоплазму.

Клітинний цикл зупиняється.

Типи радіаційної загибелі клітин залежать від їх проліферативнї активності і стадії клітинного циклу:

1. Репродуктивна загибель (мітотична загибель, відстрочена загибель) (характерна для клітин, які в нормі активно проліферують, або штучно стимульовані до активної проліферації)

2. Інтерфазна загибель (характерна для диференційованих клітин, які знаходяться в інтерфазі)

Некро́з, змертві́ння, (від грец. Νεκρός — смерть) — це патологічний стан при якому відбувається денатурація внутрішньоклітинних протеїнів та ферементативне перетравлення змертвілих клітин. Некротичні клітини втрачають здатність підтримувати цілісність мембрани, внаслідок чого копмоненти клітин виходять за її межі, що викликає запалення оточуючих некроз тканин. Ферменти, що викликають перетравлення некротичних клітин надходять з їх лізосом, а також з лейкоцитів, що завжди супроводжують запалену реакцію.

Апопто́з (від дав.-гр. απόπτωσις — опадання) — найбільш розповсюджений тип запрограмованої клітинної смерті. Іншими словами — це сукупність клітинних процесів, що призводять до загибелі клітини. На відміну від іншого виду клітинної смерті — некрозу — при апоптозі не відбувається руйнування цитоплазматичної клітинної мембрани і, відповідно, вміст клітини не потрапляє в позаклітинне середовище. Характерною ознакою є фрагментація ДНК у міжнуклеосомальних ділянках специфічною ендонуклезою — CAD (caspase activated DNase) на фрагменти з розміром, кратним 180–200 нуклеотидам. В результаті апоптозу відбувається утворення апоптичних тілець — мембранних везикул, які містять цілісні органели і фрагменти ядерного хроматину. Ці тільця поглинаються сусідніми клітинами чи макрофагами в результаті фагоцитозу. Так як позаклітинний матрикс не уражається клітинними ферментами, навіть при великій кількості апоптозних клітин, запалення не спостерігається.

Мітотична катастрофа (підтип 1) реалізація апоптичної програми власне в процесі мітозу; при цьому сегрегація хромосом не спостерігається, і клітина блокується в одній з фаз мітозу (зазвичай, в прометафазі і метафазі). Переважно реалізується за мітохондріальним шляхом (за активації ініціаторної каспази 9).

Мітотична катастрофа (підтип 2) – постмітотична загибель поліплоїдних клітин – реалізація апоптичної програми після завершення аномального мітозу коли не відбувається розділення хромосом і утворення дочірніх клітин, в стадії G1.При цьому окремі ядра такої гігантської клітини переважно залишаються анеуплоїдними.

Причини МК:

• пошкодження ДНК (контролю мітозу), порушення веретена поділу (формування багатополюсного веретена поділу).

• При порушенні процесів апоптозу (перевірка в точці рестрикції) поліплоїдних (зокрема, тетраплоїдних) клітин, вони здатні надалі здійснювати клітинний цикл і мітоз.

Аутофагійна загибель клітин

Аутофагія – це деградація органел і цитоплазматичного матеріалу, яка здійснюється за участі внутрішньоклітинних мембранних структур. При цьому de novo формуються спеціалізовані структури – аутофагосоми – двомембранні структури з частинами вутрішньоклітинного вмісту. Коли аутофагосоми зливаються з лізосомами (аутофаголізосоми), відбувається розщеплення їх вмісту.Аутофагія запускається, зокрема, пошкодженням огранел (мітохондрій, пероксисом тощо)

Програмований некроз – енергетична катастрофа клітини: фактичною причиною некрозу є зниження рівня АТФ нижче критичного значення, спричинене токсинами або фізичним руйнуванням структур клітини. Програмований некроз рецептор-опосередковано індукується молекулами TNF (tumor necrosis factor – фактор некрозу пухлин) або при одночасній активації апоптозу через рецептори Fas і блокуванні каспаз.

Модуляція радіочутливості клітин

• Актиноміцин Д, Циклогексімід, Стрептовітацин А,

• Агматин, Спермідин, NaCl,

• Дихальні отрути (ціаніди, динітрофенол, йодацетат, арсенат натрію),

• Нікотинамід,

• Цистеамін,

• О₂

Пострадіаційне відновлення клітин – репарація

l Сублетальні радіаційні пошкодження – такі пошкодження, які самі по собі не спричиняють загибель клітин, однак полегшують її інактивацію при наступному опроміненні (одиничні розриви ДНК)

l Потенційно летальні пошкодження – такі пошкодження, які самі по собі спричиняють загибель клітини, але можуть бути репаровані (репарація можлива тільки в G₀- та G₁-фазах клітинного циклу)

Біохімічна репарація здійснюється із залученням процесів:

l ліквідація одно- і двониткових розривів ДНК,

l вирізання ділянок ДНК з пошкодженими азотистими основами і реконструкція порожніх ділянок за допомогою комплементарного фрагменту протилежної нитки ДНК

Фізико-хімічна репарація макромолекул:

l пострадіаційна реактивація макромолекул,

l внутрішньомолекулярна репарація,

l репарація продуктами радіолізу (наприклад, продуктами радіолізу сульфгідрильних речовин)

2.9. Радіаційні ушкодження ДНК і РНК.

Радіаційне ушкодження ДНК

l Одиничні (однониткові) розриви молекули ДНК,

l Подвійні (двониткові) розриви молекули ДНК,

l Порушення структури азотистих основ,

l Порушення структури ДНК-мембранного комплекса,

l Порушення ДНК-білкових взаємодій

$L:\РАД БІОЛ\l 4\rad cell.PNG$

Радіаційно-хімічне ушкодження ДНК включає:

Одиничні розриви:

• добре репаруються, тому зазвичай не є летальними для клітин;

• не супроводжуються зміною молекулярної маси фрагмента;

• роблять молекулу ДНК більш рухливою, тому можуть призводити до зміни її положення в просторі)

Подвійні розриви:

• зазвичай утворюються з одиничних при збільшенні дози ІВ

• супроводжуються розпадом молекули ДНК на фрагменти, деполімеризацією;

• при

Порушення структури азотистих основ:

l зазвичай – тимідину

Формування зшивок:

l між ДНК і білками нуклеопротеїдного комплексу

Формування “містків”:

l між молекулами ДНК так, що утворюються розгалужені молекули

Порушення структури ДНК-мембранного комплексу:

l в області з’єднання між ДНК і мембраною ядра – я наслідок – порушення регуляції ініціації редуплікації ДНК та розділення ниток ДНК у мітозі

Радіаційно-хімічні перетворення РНК, амінокислот та білкових молекул

• Опромінення призводить до порушення молекулами ДНК і РНК здатності до реплікації, транскрипції, трансляції

$L:\РАД БІОЛ\l 4\rybon.PNG$

синтез РНК

$L:\РАД БІОЛ\l 4\rnk.PNG$

2.10. Радіаційні ушкодження білків і ліпідів.

( Л5ст16-18, Л4ст17, http://goo.gl/lS7YqI )

Протеїнові механізми включають:

· Денатурацію ‑ порушення нативної структури білкових молекул у результаті змін вторинної і третинної структури білка, внаслідок розриву нековалентних зв'язків, призводить до:

·Пригнічення активності ферментів

·Протеоліз під дією лізосомальних гідролітичних ферментів (катепсинів) і Ca-активованих протеаз.

пошкодження первинної структури (руйнування амінокислот) ->порушення вторинної структури -> зміна конформації -> порушення функції (зокрема, при зміні активного центра ензимів)

· Зміна амінокислотного складу (особливо знижується кількість амінокислот метіоніну, фенілаланіну, лізину, гістидину, тирозину і цистеїну),

· Порушення третинної структури,

· Розриви поліпептидного ланцюга,

· Формування зшивок між пептидними ланцюгами

· Розрив сульфгідрильних груп і поява вільних SH-груп

Ліпідні механізми ушкодження клітини включають в себе кілька груп реакцій:

Активація мембранних фосфоліпаз. У патогенезі ушкодження клітини важливе значення має надмірна активація фосфоліпази А₂ ‑ ферменту, що здійснює гідролітичне відщеплення ненасиченої жирної кислоти ‑ одного з двох гідрофобних хвостів молекули фосфоліпіду. Ненасичені жирні кислоти (арахідонова, пентаноєнова й ін.) витрачаються на утворення фізіологічно активних сполук ‑ простагландинів і лейкотрієнів. Частина молекули фосфоліпіду (лізофосфоліпід) що залишилася, має лише один жирнокислотний "хвіст", унаслідок чого має здатність до міцеллооутворення і є дуже сильним детергентом. З детергентним впливом лізофосфоліпідів зв'язане ушкодження клітинних мембран в умовах надмірної активації фосфоліпази А₂. Основним фактором, що викликає таку активацію, є висока концентрація іонів Ca у цитоплазмі клітини

Перекисним окисленням ліпідів (ПОЛ) називається вільнорадикальне окислення ненасичених жирних кислот, що входять до складу фосфоліпідів клітинних мембран. Ініціаторами ПОЛ є вільні радикали, серед яких найбільше значення мають: О₂^- — супероксидний аніон-радикал (у водному середовищі знаходиться у виді НО₂); ОН^• — гідроксильний радикал; Н^• — водневий радикал; О₂ — синглетний (збуджений) кисень, у якого один з електронів перейшов на більш високий енергетичний рівень. можливі 2 механізми активації ПОЛ.

Перший механізм — надлишкове утворення первинних вільних радикалів. У такій ситуації наявні в клітині антиоксидантні системи не в змозі "згасити" реакції ПОЛ. При даному механізмі відбувається активація ПОЛ у випадку пошкоджуючого впливу на клітину ультрафіолетових променів, іонізуючої радіації, гІпероксії, в умовах сильного стресу (утворення вільних радикалів з катехоламінов); при гіпервітамінозі Д (утворення вільних радикалів у результаті процесів аутоокисления ергокальциферолу).

Другий механізм активації ПОЛ — порушення функціонування антиоксидантних систем клітини. У цьому випадку ініціаторами ПОЛ є первинні вільні радикали, що утворяться в процесі обміну речовин. Антиоксидантна недостатність може бути обумовлена спадковими і набутими порушеннями синтезу антиоксидантних ферментів (супероксиддисмутази, каталази, глутатіонпероксидази, глутатіонредуктази); дефіцитом заліза, міді, селену, необхідних для функціонування цих ферментів; гіповітамінозом Е, С; порушеннями циклу Кребса, у реакціях яких утворяться НАДФН і НАДН, що забезпечують відновлення справжніх і допоміжних антиоксидантів і, нарешті, дією детергентів, унаслідок чого порушується формування ліпідного бішару мембран. Незалежно від механізму активації ПОЛ у клітині розвиваються тяжкі зміни, пов'язані з порушеннями бар'єрної і матричної функції клітинних мембран.

Детергентна дія надлишку вільних жирних кислот. Вільні жирні кислоти у великих концентраціях, так само як і лізофосфоліпіди, здійснюють детергентну дія і викликають порушення ліпідного бішару мембран. Можна виділити чотири основних механізми підвищення вмісту вільних жирних кислот у клітині:

1. ·посилене надходження вільних жирних кислот у клітину при гіперліпоцидемії (підвищенні концентрації вільних жирних кислот у крові), що спостерігається при активації ліполизу в жировій тканині, зокрема, при стресі, цукровому діабеті;

2. посилене звільнення вільних жирних кислот з фосфоліпідів мембран під дією вже згадуваних мембранних фосфоліпаз;

3. ·посилене вивільнення вільних жирних кислот у лізосомах із тригліцеридної частини ліпопротеїдів, що надходять у клітину, що має місце в умовах гіперліпопротеїнемії, яка супроводжуює розвиток атеросклерозу;

4. порушення використання клітиною вільних жирних кислот як джерела енергії, що відмічається при зменшенні активності циклу Кребса, а також при гіпоксії.

Ліпідні механізми ушкодження приводять до порушення двох основних функцій ліпідного бішару клітинних мембран: матричної і бар'єрної .

Сутність матричної функції ліпідного бішару мембран полягає в тому, що в ньому вмонтовані мембранні ферменти і деякі спеціалізовані білки. У процесі ПОЛ порушується активність мембранних ферментів у зв'язку зі зміною їхнього ліпідного мікрооточення. Крім того, у ході реакцій ПОЛ може відбутися утворення "зшивок" між молекулами білків і фосфоліпідів, а також окислення сульфгідрильних груп активних центрів, що приводить до необоротної інактивації ферментів

В основі порушення бар'єрної функції мембран лежать два основних механізми: іонофорний і механізм електричного пробою.

Перший з них обумовлений появою в клітині речовин, що володіють властивостями сполук, здатних полегшувати дифузію іонів через мембрану завдяки утворенню прохідних через її шари комплексів іона і іонофору. У процесі активації перекисного окислення ліпідів серед проміжних продуктів його реакцій з'являються речовини — іонофори стосовно іонів кальцію і водню, у результаті чого підвищується проникність клітинних мембран для зазначених іонів.

Другий механізм ("самопробою") реалізується за рахунок існуючої на багатьох мембранах (плазматичній, внутрішній мітохондріальній) різниці потенціалів. У результаті появи гідрофільних продуктів перекисного окислення ліпідів, а також внаслідок детергентної дії лізофосфоліпідів і надлишку вільних жирних кислот порушуються електроізолюючі властивості гідрофобного шару клітинних мембран, зменшується їх електрична стабільність, що приводить до електричного пробою мембрани, тобто до електромеханічного її розриву з утворенням нових трансмембранних каналів іонної провідності

2.11. Пострадіаційне відновлення нуклеїнових кислот – репарація.

Біохімічна репарація здійснюється із залученням процесів:

l ліквідація одно- і двониткових розривів ДНК,

вирізання ділянок ДНК з пошкодженими азотистими основами і реконструкція порожніх ділянок за допомогою комплементарного фрагменту протилежної нитки ДНК

$L:\РАД БІОЛ\l 4\repar.PNG$

Фізико-хімічна репарація макромолекул:

l пострадіаційна реактивація макромолекул,

l внутрішньомолекулярна репарація,

l репарація продуктами радіолізу (наприклад, продуктами радіолізу сульфгідрильних речовин)

Ензими, які приймають участь в репарації ДНК у випадку подвійних розривів молекули ДНК

l ДНК-залежні ДНК-полімерази (здійснюють реплікацію — подвоєння молекул ДНК; в «нормі» саме ці ферменти працюють при репарації подвійних розривів ДНК);

l РНК-залежні ДНК-полімерази (зворотні транскриптази (синтезують ДНК на матриці РНК);

l ДНК- залежні РНК- полімерази (синтезують РНК на матриці ДНК, відповідають за «зчитування» генів — транскрипцію);

l РНК- залежні РНК- полімерази (розмножують молекули РНК).

2.12. Радіоліз води та вільнорадикальні процеси.

Під дією іонізуючого випромінювання утворюється аніон або катіон води:

Вони є нестійкими і самовільно розпадаються, формуючи активні вільні радикали:

або:

іон Н₂О⁺ та електрон е^- взаємодіють з молекулою води, утворюючи стійкі у воді іони гідроксонію Н₃О⁺ та гідроксилу ОН^-:

Атомарний водень Н і гідроксильний радикал ОН не стійкі, вони взаємодіють між собою:

Перекис водню Н₂О₂ і молекулярний водень Н здатні взаємодіяти з радикалами Н і ОН, утворюючи воду Н₂О:

Таким чином, маємо цикл процесів:

Разом з тим, молекулярні продукти можуть перетворюватись в радикал гідропероксиду НО₂ і знову в перекис водню Н₂О₂ :

У присутності кисню маємо перекисний радикал НО₂^• :

Також виникає стабілізована форма електрона – гідратований електрон

е^-_aq .

Вільнорадикальне окислення – важливий і багатогранний біохімічний процес перетворень кисню, ліпідів, нуклеїнових кислот, білків та інших сполук під дією вільних радикалів.

Вільні радикали являють собою сполуки, що мають неспарений електрон на зовнішній орбіталі і володіють високою реакційною здатністю. До числа первинних вільних радикалів належать супероксидний аніон-радикал, окис азоту, а вторинними вільними радикалами є гідроксильний радикал, синглетний кисень, перекис водню, пероксинітрит. Утворення вільних радикалів тісно пов'язане, з одного боку, з появою вільних електронів при порушеннях процесів окислення в дихальному ланцюзі, перетворенні ксантину, синтезі лейкотрієнів і простагландинів.

Вільнорадикальне окислення необхідно для нормального функціонування організму. Про це свідчить, зокрема, споживання більше 5% кисню на утворення супероксидного аніон-радикала. ВРО сприяє знищенню віджилих клітин, елімінації ксенобіотиків, попереджає злоякісну трансформацію клітин, моделює енергетичні процеси за рахунок активності дихального ланцюга в мітохондріях, проліферацію і диференціацію клітин, транспорт іонів, бере участь у регуляції проникності клітинних мембран, у руйнуванні пошкоджених хромосом, у забезпеченні дії інсуліну. СРО генерує внутрішньоклітинні бактерицидні та вірусоцідное фактори, особливо в клітинному ядрі .

При вільнорадикальному окисненні арахідонової кислоти відбувається відрив водню в α-положенні по відношенню до подвійного зв'язку, що призводить до переміщення цього подвійного зв'язку з утворенням Дієнової кон'югати.

2.13. Кисневий ефект. Коефіцієнт кисневого посилення.

(інфа з лекції 6 Цимбалюк)

Кисневий ефект

Наявність кисню призводить до значного посилення пошкоджуючої дії іонізуючих випромінювань:

Формування органічного перекисного радикалу RO₂^• може індукувати ланцюгову реакцію в органічних молекулах:

o2 a

kku

Кисневий ефект – це посилення променевого враження при підвищенні концентрації кисню порівняно з враженням в анаеробних умовах.

Принцип дії – перетворення потенційно летальних пошкоджень в летальні.

Важливість кисневого ефекту

• Чутливість клітин до дії іонізуючого випромінювання напряму залежить від концентрації кисню

• Коефіцієнт кисневого посилення (oxygen enhancement ratio, OER) – співвідношення доз опромінення в оксигенованому і гіпоксичному станах, які спричиняють однаковий біологічний ефект:

Властивості коефіцієнта кисневого посилення:

Коефіцієнт кисневого посилення у середньому дорівнює 3-3,5, та залежить як від напруження О₂ середовищі, так і від дози опромінення (у випадку D ≤ 3 Гр, він знижується)

Кисневий ефект проявляється, коли О₂присутній підчас опромінення, або з’являється протягом декількох мілісекунд після опромінення

Коефіцієнт кисневого посилення залежність від рО₂ :

• За відсутності О₂ (аноксія), коефіцієнт КП дорівнює 1,

• При рО₂ до 0.15 мм.рт.ст (до 0.02%) маємо min радіочутливість,

• Найбільшу швидкість зростання ККП маємо при рО₂ 0,5 - 20 мм.рт.ст.

Властивості коефіцієнта кисневого посилення (організм):

• Мінімальна концентрація О₂ в повітрі (лабораторні тварин), при якій може існувати організм = 5%,

• Помітне зниження радіочутливості організму настає при зниженні рівня О₂ до 10%. За цих умов максимальне значення ККП = 2-2,5.

• Але захисний ефект гіпоксії знижується при тривалому перебуванні організму в гіпоксичних умовах.

Залежність кисневого ефекту від виду випромінювання

• Найбільш виражений – у випадку ІВ з низькою густиною іонізації (γ-випромінювання, рентгенівські промені),

• Відсутній у випадку α-випромінювання

• Ця відмінність корелює зі значенням густини іонізації (та лінійної передачі енергії) випромінювань

kku type

2.14. Радіопротектори та механізми їх дії.

(лекція 7 Цимбалюк).

Радіопротектори

У тому випадку, коли фізико-хімічні фактори (особливо – хімічні речовини) знижують ефект ІВ, їх використовують в якості радіопротекторів (радіозахисних засобів)

Радіопротектори знижують ефективну дозу ІВ.

Їх застосовують за 5-15 хв перед опроміненням (речовини, які застосовують після опромінення – засоби лікування променевої хвороби).

Радіаційний захист – це процес послаблення ураження іонізуючим випромінюванням.

Фактор зменшення дози ІВ

Кількісна міра ефективності дії радіопротекторів – фактор зменшення дози (ФЗД)

ФЗД = D₂/D₁,

де D₁та D₂ – дози радіації, які мають однаковий біологічний ефект

Фактор зміни логарифма виживаності

Кількісна міра ефективності дії радіопротекторів – фактор зміни логарифма виживаності (ФЗЛ)

ФЗЛ = ln [ S₂/S₁],

де S₁та S₂ – виживаність клітин:

Для радіопротекторів ФЗЛ < 1

Класифікація і характеристики радіопротекторів

1 - Ефективні при при короткочасовому опроміненні значної потужності (діють протягом 15 хв – 3 год),

2 - Ефективні при пролонгованому опроміненні невеликої потужності виживаності

Радіопротектори короткочасової дії

сіркоазотовмісні радіопротектори

цистамін, цистафос, гаммафос, цистеамін

вживання:

Ці препарати приймають за 40-60 хв до початку дії; їх ефективність зберігається 4-6 год.

ФЗД:

ФЗД цистаміну при Υ-випромінюванні = 1.5,

ФЗД цистаміну при нейтронному випромінюванні = 1.1,

ФЗД гаммафосу при Υ- нейтронному випр. = 2-2.5,

Механізм дії:

- відновлення (донори е^-) збуджених біомолекул,

- тимчасове інгібування активних біомолекул (таким чином вони менш пошкоджуються),

- пригнічення вільнорадикальних процесів у ліпідах,

- зв’язують двовалентні іони,

- посилюють відтік лімфи (так краще йде детксикація організму)

- Біогенні аміни

- мескамін (синтетичний аналог серотоніну),

- індралін (Б-190-В; α-адреноміметик), нафтизин, препарат «С»

- вживання:

- препарати екстреної дії, їх використовують за 5-10 хв перед опроміненням; ефективність утримується протягом 1 год.

ФЗД:

- ФЗД при Υ- нейтронному випр. = 1.3-1.5,

- Механізм дії:

- - спричиняють спазм судин, таким чином викликають гіпоксію (знижують ризик хромосомних аберацій)

Радіопротектори пролонгованої дії

Препарати з естрогенною активністю

диeтилстильбестрол (ДЕС або РДД)

вживання:

препарати пролонгованої дії, їх використовують за 1-2 доби перед опроміненням; ефективність утримується протягом 10-14 діб.

ФЗД:

ФЗД при Υ- нейтронному випр. = 1.2-1.3,

Механізм дії:

- спричиняють явище гіперестрогенізму і, як наслідок:

- гальмують проліферативну активність кісткового мозку (захист процесів гемопоезу);

- посилюють лімфотік (покращення виведення радіотоксинів);

- Активують роботу щитоподібної залози і наднирників (як наслідок – активують процеси репарації).

Комбінування цистаміну і ДЕС значно посилює ефект цих радіопротекторів порівняно з їх автономною дією

Полісахариди, нуклеїнові кислоти, синтетичні полімери

вживання:

препарати пролонгованої дії.

Механізм дії:

- Стимулюють синтез нуклеїнових кислот,

- Стимулюють проліферацію, транспортування до вражених кровотворних органів та приживання там молодих клітин кісткового мозку.

2.15. Радіосенсибілізація.

РАДІОСЕНСИБІЛІЗАЦІЯ — штучне підвищення радіочутливості організму, окремих клітин або тканин до дії іонізуючого випромінення. Застосовується переважно в практичній онкології з метою посилення ушкоджувальної дії іонізуючих випромінювань на злоякісні пухлини при проведенні променевої терапії. Існує три основні способи РС.: зменшення власних радіозахисних можливостей клітин і організмів (напр. шляхом хімічного скріплення ендогенних тіолів, що супроводжується збільшенням окисно-відновного потенціалу в клітинах); пригнічення природної репарації від променевих ушкоджень (напр. за допомогою акрифлавіну, кофеїну або хімічних агентів, що порушують окисне фосфорилування в клітинах, а також шляхом гормонального пригнічення регенерації кровотворної й лімфоїдної тканин); створення для опромінених об’єктів несприятливих умов культивування або складових середовища, що часто призводить до посилення наслідків опромінювання. Розробка методів РС має значення для збільшення ефективності променевої терапії злоякісних утворень, променевої стерилізації та ін.

synerg

synerg2

Радіосенсибілізатори при радіотерапії пухлин

- антиметаболіти, які включаються в молекули ДНК та посилюють їх пошкодження (напр., 5-фторурацил);

- інгібітори синтеза ДНК (напр., оксисечовина);

- специфічні інгібітори синтеза белку (напр., актиноміцин D).

- Терморадіотерапія базується на вибірковій протипухлинній дії гіпертермії (внаслідок недостатнього кровотоку в пухлинах тепло з них відподиться повільно). Ефект гіпертермії вищий при комбінуванні зі штучною гіперглікемією: термочутливість пухлин при цьому зростає за рахунок зниження внутрішньоклітинного рН.

СЛАВА УКРАЇНІ!

ГЕРОЯМ СЛАВА!

1. Іванісік

1.1. Типи (класифікація) неіонізуючого випромінювання.

1.2. Елементарні фотофізичні процеси в біологічних структурах.

1.3. Елементарні фотохімічні процеси в біологічних структурах.

1.4. Світлорозсіювання в біологічних структурах.

1.5. Поглинання неіонізуючого випромінювання в тканинах тіла людини.

1.6. Денатурація білкових тканин за дії інтенсивного випромінювання оптичного діапазону.

1.7. Імовірність двофотонних процесів.

1.8. Механізми абляії тканин за дії лазерного випромінювання.

1.9. Методи підедення лазерного випромінювання до біологічних тканин.

1.10. Вимоги до оптоволоконних систем підведення випромінювання.

1.11. Фотосенсибілізація. Фотодинамічна терапія.

1.12. Лазерна літотрипсія.

1.13. Використання лазерів в офтальмології.

2. Цимбалюк

2.1. Проникаюча здатність іонізуючих випромінювань.

2.2. Загальні властивості дії іонізуючих випромінювань на біологічні об'єкти.

2.3. Відносна біологічна ефективність випромінювань.

2.4. Принципи теорії мішені. Ефективний об'єм мішені.

2.5. Унікальні та масові структури клітини. Багатоударні мішені.

2.6. Структурно-метаболічна теорія.

2.7. Типи радіаційної загибелі клітин. Проліферативна загибель клітин. Інтерфазна загибель клітин.

2.8. Радіочутливість клітин. Природа радіаційної смерті клітин. Пострадіаційне відновлення клітин – репарація.

2.9. Радіаційні ушкодження ДНК і РНК.

2.10. Радіаційні ушкодження білків і ліпідів.

2.11. Пострадіаційне відновлення нуклеїнових кислот – репарація.

2.12. Радіоліз води та вільнорадикальні процеси.

2.13. Кисневий ефект. Коефіцієнт кисневого посилення.

2.14. Радіопротектори та механізми їх дії.

2.15. Радіосенсибілізація.