МЕХАНИЗМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ (ИИ).

ЛЕКЦИЯ

По лучевой диагностике и лучевой терапии

для студентов 3-го курса

лечебного факультета

Тема: ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ

ВВЕДЕНИЕ

    Лучевая терапия – метод лечения опухолевых и ряда неопухолевых заболеваний с помощью ионизирующих излучений.

    ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ

    Ионизирующее излучение(ИИ) ― поток элементарных частиц и/или квантов электромагнитного (фотонного) излучения, который создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.

    Процесс ионизации заключается в отрыве одного или нескольких электронов от атома, находящегося в свободном состоянии или являющегося частью молекулы.

Виды ионизирующих излучений:

· фотонное(гамма-излучение, характеристическое и тормозное излучение генерируемые ускорителями электронов).

· корпускулярное

o заряженные (электроны, протоны, p-мезоны и др.)

o незаряженные (нейтроны)

Механизмы взаимодействия фотонных и корпускулярных излучений с веществом неодинаковы, но итог взаимодействия сходен - ионизация среды распространения.

Фотонные излучения - это потоки квантов, энергия которых определяется их частотой или длиной волны.

Гамма-излучение - ИИ, испускаемое при ядерных превращениях или аннигиляции частиц. Гамма-кванты испускаются радиоактивными веществами, т.е. веществами, имеющими в своем составе радионуклиды.

Радионуклиды ― нестабильные атомы, обладающие способностью самопроизвольно превращаться (с испусканием излучения) в атомы других химических элементов с иными химическими и физическими свойствам. Переход ядра из возбужденного в основное состояние сопровождается излучением  -кванта с энергиями от 10 кэВ до 5 МэВ.

Активность РВ определяется отношением числа актов распада в РВ ко времени, в течение которого этот распад произошел. Единицами активности РВ являются беккерель (1 ядерное превращение за 1 секунду) и кюри(3,7х10¹⁰ превращений за 1 секунду),

От рентгеновского и тормозногогамма-излучение отличается только механизмом происхождения.

Рентгеновское излучение – фотонное (электромагнитное)излучение, генерируемое рентгеновскими аппаратами (образуются при резком торможении ускоренных электронов в момент их столкновения с атомами вещества анода рентгеновской трубки). Длинна волны в 10000 раз меньше, чем лучей видимого спектра, т.е. равно 0,01-0,05нм.

Тормозное рентгеновское излучение возникает при резком торможении ускоренных электронов в вакуумных системах различных ускорителей и отличается от рентгеновского большей энергией квантов (от одного до десятков МэВ).

Корпускулярные излучения

Протоны ―элементарные частицы, имеющие положительный заряд и большую массу. Протоны имеют прямолинейную траекторию, В конце пробега вследствие замедления движения протона и более активного взаимодействия его с веществом происходит более выраженная ионизация (так называемый пик Брега), Глубина возникновения пика Брегга зависит от энергии частиц, а это в свою очередь позволяет, регулируя данный параметр, достигать максимума ионизации в требуемой зоне, практически не повреждая ткани расположенные за пределами пучка.

Бета-излучение - ионизирующее излучение, представляющее собой поток электронов и позитронов, возникающий в результате внутриядерных превращений нейтронов и протонов.

Проникающая способность в воздухе - 20 м, в воде - 2,5см, в мягких тканях - до 1 см.

Электроны ― элементарные частицы, имеющие отрицательный заряд и малую массу, вследствие чего легко изменяют направление (вследствие соударения с электронами атомов), что может приводить к рассеянию в тканях.

Современные ускорители позволяют получать электронные пучки высоких энергий (до 15-50 МэВ), обладающие большой проникающей способностью. Средняя длина свободного пробега в таком случае может достигать в тканях 10-20 см.

p-мезоны ― бесспиновые элементарные частицы, имеющие отрицательный заряд и массу, занимающую промежуточное положение между массами электрона и протона. При "входе" в вещество ведут себя подобно протонам, затем основная часть p-мезонов останавливается на определенной глубине, захватывается атомами О₂ и N, поглощается ядрами с последующим их распадом и испусканием нейтронов, протонов, дейтронов и a-частиц.

Для характеристики взаимодействия различных видов ИИ используются три основных параметра:

Линейная плотность ионизации (ЛПИ) - среднее количество пар ионов, образованных заряженной частицей, на единицу длины пробега (характеризует ионизирующую способность излучения).

Линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, переданная частицей веществу на единицу длины пробега частицы.

Средняя длина свободного пробега. В результате взаимодействия ИИ с веществом энергия ионизирующих частиц уменьшается до тех пор, пока она не станет соизмеримой с энергией теплового движения молекул. Путь, который проходят при этом частицы, характеризуется средней длиной свободного пробега в данном веществе

МЕХАНИЗМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ (ИИ).

В биологическом действии ИИ первым звеном является поглощение энергии излучения с последующим взаимодействием его с веществом ткани, которое протекает очень короткое время - доли секунды. В результате взаимодействия в клетках тканей и органов развивается цепь биофизических, биохимических, функциональных и морфологических изменений, которые в зависимости от конкретных условий протекают в различные сроки - минуты, дни, годы.

При взаимодействии излучений с веществом возникают ионизация и возбуждение атомов и молекул облучаемого вещества, и образуется тепло. При облучении процессы ионизации и возбуждения возникают только вдоль пути ионизирующей частицы. В результате ионизации атомов или молекул возникают ионы с положительным и отрицательным зарядом. Эти ионы нестабильны, химически активны и имеют выраженную тенденцию к соединению с центральными молекулами, при возбуждении которых меняется электронная конфигурация молекулы, что может привести к разрыву ее молекулярных связей. Продукты расщепления прореагировавших молекул также оказываются химически активными и, в свою очередь, вступают в химические реакции с нейтральными молекулами. Ионизация молекул воды, которой в организме более 80%, также ведет к ее расщеплению и образованию Н⁺, ОН, Н₂О₂, Н₂, обладающих значительной химической активностью и вызывающих окисление растворимых в воде веществ.

Таким образом, в первичном механизме биологического действия различают:

· прямое действие (изменения, возникающие в молекулах клеток в результате ионизации или возбуждения);

· непрямое действие ― объединяет все химические реакции, протекающие с химически активными продуктами диссоциации ионизированных молекул (непрямое действие излучений вызывает менее грубые, однако охватывающие большее число молекул поражения, в объеме, значительно превышающем размеры полей облучения).

    Интенсивность реакций, связанных с прямым и непрямым механизмами действия ИИ, зависит:

· от исходного состояния организма

· от физических факторов (дозы и ее мощности и качества излучения т.к. эффект облучения обусловлен не только количеством поглощенной энергии, но и ее распределением в тканях).

· химических факторов (например, кислород).

Потенциально вредные эффекты ИИподразделяются на: стохастические и детерминированные.

Стохастические эффекты (СЭ) - эффекты, вероятность возникновения которых возрастает с увеличением лучевой экспозиции. Примеры стохастических реакций — канцерогенез и генетические эф­фекты. Особенность этих эффектов состоит в том, что от дозы облучения зависит вероятность, но не тяжесть развивающегося состояния. Дозовый порог для стохастических эффектов не известен отсюда и мнение, что все лучевые нагрузки потенциально вредные.

Детерминированные эффекты - детерминированные эффекты связаны с понятием пороговой дозы ИИ, ниже которой эффект не наблюдается. Выше пороговой дозы вероятность возникновения эффекта составляет фактически 100 %, а тяжесть его проявления воз­растает с увеличением дозы.

Примеры детерминированных эффектов: кожные реакции (такие как эритема, эпиляция, десквамация), катаракта, фиброз и на­рушения гемопоэза. Если лучевая экспозиция растягивается во времени, пороговая доза становится выше, чем для ост­рого облучения, благодаря способности клеток репарировать нелетальные радиаци­онные повреждения.          

Радиочувствительность (или радиорезистентность) —выражает скорость и степень реакции опухоли в ходе лечения.

Быстро размножающиеся клетки млекопитающих проходят четыре стадии цикла: митоз, I промежуточный период (G1), синтез ДНК и II промежуточный период (G2). Наиболее чувствительны к облучению клетки в фазах митоза и G2 (непосредственно предшествует митозу). Максимальная чувствительность к радиации наблюдается в период синтеза ДНК. Неделящиеся или слабо делящиеся клетки нашего организма более устойчивы к воздействию ионизирующего излучения (часть раковых клеток в момент облучения находится в интерфазе, т.е. в состоянии покоя по устойчивости приближаясь к обычным клеткам).

Моделирование процесса облучения проводится физиком-дозиметристом и врачом-радиологом (рассчитываются и сравниваются возможные дозы и эффекты облучения, отрабатывается практическая реализация на виртуальной модели-симуляторе).

Индивидуальный план лучевой терапии включает:

· обоснование показаний к лучевой тера­пии;

· результаты морфоло­гической верификации опухоли;

· данные о локализации, размерах и взаимоотношении опухоли с окружающими тканями;

· объем тканей, подлежащих облучению — первич­ный очаг, зоны возможного субклинического поражения и регионар­ного метастазирования, а также суммарные дозы и ритм облучения;

· данные о состоянии кровет­ворной, сердечно-сосудистой и других систем.

· метод лучевой терапии и источник облучения.

МЕТОДЫ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ

В зависимости от способа подведения ионизирующего излучения к облу­чаемому очагу методы лучевой терапии делятся: на дистанционные и контактные.

Дистанционная гамма-терапия. Источниками гамма-излучения явля­ются радионуклиды ⁶⁰Со, ¹³⁷Cs, ²⁵²Cf, ¹⁹²Ir. Наиболее распростра­ненным радионуклидом, применяемым при лучевой терапии, является ⁶⁰Со.

Терапия тормозным излучением высокой энергии. Источниками из­лучений высоких энергий являются линейные ускорители электро­нов, а также циклические ускорители — бетатроны.

Терапия быстрыми электронами. Электронное излучение получают с помощью таких же ускорителей, как и при генерировании тормозного излучении.

Протонное излучение — ионизирующее излучение, состоящее из тя­желых заряженных частиц — протонов (при прохождении через ткани протоны высокой энергии мало рассеиваются, и это позволяет исполь­зовать его для селективного повреждения образований).

II. Контактные методы облучения:

Внутриполостная ЛТ: источники гамма- или бета-излучения с помощью специальных устройств вводятся в по­лые органы (при лечении опухолей шейки и тела матки получили источники гамма-излучения высокой активности ⁶⁰Со и ¹³⁷Cs).

 Внутритканевая ЛТ: радиоактивные иглы, содержащие ⁶⁰Со, вводят в ткань опухоли.

Аппликационный метод облучения. Аппликаторы являются устройст­вами, которые содержат радионуклиды и прикладываются к патологи­ческому очагу. Имеются бета- и гамма-аппликаторы. Бета-аппликато­ры (⁹⁰Sr и ⁹⁰Y) применяются в офтальмологии. Облучение происходит через рабочую поверхность аппликаторов, прикладываемых или даже фиксируемых (с помощью оператив­ного вмешательства) к патологическому очагу

Избирательное накопление радионуклидов: использу­ются химические соединения, тропные к определенной ткани (лечение злокачественных опухолей щитовидной железы и метастазов путем введения радионуклида йода).

       Сочетанные методы лучевой терапии — сочетание одного из спосо­бов дистанционного и контактного облучения.

Комбинированные и комплексные методы лечения — сочетание в различной последовательности, соответственно, лучевой терапии и хи­рургического вмешательства, или лучевого и химиотерапевтического воздействий.

При комбинированном лечении лучевая терапия прово­дится в виде пред- или послеоперационного облучения, в некоторых случаях — интраоперационное облучение.

Цель предоперационного курса:

· уменьшение опухоли (для расширения границ операбельности);

· подавление пролиферативной активности опу­холевых клеток;

· уменьшение сопутствующего воспаления;

· воздействие на пути регионарного метастазирования.

Цель послеоперационного курса:

· дополнитель­ное воздействие на остатки опухоли после нерадикальных операций;

· уничтожение субклинических очагов и возможных метаста­зов в регионарных лимфатических узлах.

При интраоперационном облучении больного, находящегося под наркозом, подвергают однократному интенсивному лучевому воздейст­вию через открытое операционное поле (позволяет повысить избирательность лучевого воздействия при местно-распространенных новообразова­ниях).

МЕТОДЫ МОДИФИКА­ЦИИ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОПУХОЛЕЙ.

Оксигенотерапия — метод оксигенации опухоли во время облучения с использованием для дыхания чистого кислорода при обычном давлении.

Оксигенобаротерапия — метод оксигенации опухоли во время облу­чения с использованием для дыхания чистого кислорода в специаль­ных барокамерах под давлением до 3—4 атм.

Регионарная турникетная гипоксия — метод облучения больных со злокачественными опухолями конечностей в условиях наложения на них пневматического жгута. Метод основан на том, что при наложении жгута рСО₂ в нормальных тканях в первые минуты падает почти до нуля, а в опухоли оно еще некоторое время остается значительным.

Гипоксирадиотерапия — метод, при котором до и во время сеанса облучения пациент дышит газовой гипоксической смесью, содержащей 10% кислорода и 90% азота. Возможность избирательной за­щиты нормальных тканей при этом методе позволяет увеличивать ра­зовые и суммарные дозы на 20%, а при уменшении содержания кис­лорода до 8% - до 40%.

Электронакцепторные соединения (ЭАС) — химические вещества, способные имитировать действие кислорода (его сродство к электрону) и избирательно сенсибилизировать гипоксические клетки, что позволяет при создании в некоторых опухолях высоких концентраций препаратов существенно улучшить результаты лучевого лечения.

Ингиби­торы репарации ДНК. К числу таких препаратов относятся 5-фторурацил, галоидированные аналоги пуриновых и пиримидиновых основа­ний. В качестве сенсибилизатора применяют обладающий противоопу­холевой активностью ингибитор синтеза ДНК — оксимочевину.

Ослабление пострадиационного восстановления —противоопухолевый антибиотик актиномицин Д .

Ингибиторы син­теза ДНК могут быть использованы для временной искусственной син­хронизации деления опухолевых клеток с целью последующего их об­лучения в наиболее радиочувствительных фазах митотического цикла.

Терморадиотерапия — метод лучевого лечения с использованием прогревания опухоли до 42—45°С, как правило, путем использования СВЧ-аппаратов. При такой температуре вследствие нарушения оттока крови из опухоли наиболее сильному прогреванию, а, следовательно, и разрушению подвергаются клетки новообразования.

Искусственная гипергликемия: путем введения больших доз глюкозы, что приводит к закислению опухолевой ткани, при этом неко­торые клетки погибают, а другие становятся более чувствительными к иным повреждающим воздействиям.

Полирадиомодификация — применение нескольких агентов, изменяющих чувст­вительность опухолевой и нормальной тканей к облучению.