Основным механизмом действия ионизирующего излучения является ионизация атомов и молекул живой материи. Этот процесс считается начальным этапом биологического действия излучения и в дальнейшем вызывает функциональные и органические поражения тканей, органов и систем.
Патогенез лучевой болезни складывается из прямого действия ионизирующего излучения и непрямого.
Прямое действие радиации (больших доз) приводит к денатурации белковых молекул с отрывом боковых цепей. В результате молекула коагулируется и выпадает из коллоидного раствора.
В дальнейшем она подвергается распаду под действием протеолитических ферментов. При этом в клетке наблюдаются физико-химические сдвиги, деполимеризация нуклеиновых кислот, что сопровождается изменением структуры поверхности клетки и проницаемости мембран. Однако не вся клетка одинаково чувствительна к облучению. В каждой клетке имеется чрезвычайно малый по отношению к ее величине участок, который воспринимает поражающее действие радиации. Этот участок является так называемой мишенью для ионизирующего излучения, в то время как остальная, большая, часть клетки остается к нему нечувствительной или малочувствительной. Особо чувствительны к действию радиации хромосомы ядер и цитоплазма.
Непрямое действие ионизирующего излучения заключается в радиолизе молекул воды. Как известно, вода составляет около 80 % массы всех органов и тканей человеческого организма. При ионизации воды образуются радикалы, обладающие как окислительными, так и восстановительными свойствами. Наибольшее значение из них имеют атомарный водород (Н), гидроксид (НО2), перекись водорода (Н2О2). Продукты радиолиза обладают чрезвычайно высокой активностью и могут окислять практически все органические вещества, входящие в состав клеток. Это приводит к изменению структуры важнейших высокомолекулярных соединений: нуклеиновых кислот, белков, липопротеидов, полисахаридов.
Наибольшей радиочувствительностью обладают нуклеиновые кислоты. Возникают одно- и двуспиральные разрывы ДНК, образуются сливки между молекулами с появлением разветвленных молекул.
Под действием окислительных радикалов происходит также повреждение белка за счет усиления реакций окисления и дезаминирования.
Вследствие наступающих изменений химической и конформационной структур белковой молекулы наблюдается инактивация биологической (в том числе ферментной и иммунной) активности белка.
Липиды подвергаются перекисному окислению с образованием ряда токсических веществ.
Вслед за нарушениями обменных процессов развиваются сложные биохимические, физиологические и морфологичесские изменения, которые происходят вначале на клеточном, а в последующем на органном и системном уровнях.
Изменения клеточного обмена приводят к повреждению целостности клеточных и внутриклеточных мембран. На поврежденных биомембранах изменяются строгая упорядоченность расположения ферментов и течение сложных ферментативных реакций, характеризующиеся подавлением синтетических и активацией катаболических процессов. Выход протеолитических ферментов из органеля (лизосом) через измененные мембраны является причиной аутолиза клетки.
В результате измененного обмена веществ в организме накапливаются различные соединения, обладающие токсическими свойствами и усиливающие обменные нарушения, возникшие на первом этапе радиационного воздействия.
Характер реакции клеток (ткани) зависит от степени чувствительности к ионизирующему излучению. Радиочувствительность отдельных тканей прямо пропорциональна митотической активности и обратно пропорциональна степени диференциации клеток. В соответствии с этим все ткани в убывающем по радиочувствительности порядке могут быть расположены следующим образом: лимфоидная, миелоидная, герминативный, кишечный и покровный эпителий, секреторные клетки пищеварительных и эндокринных желез; соединительная, мышечная, хрящевая, костная и нервная ткани.
Кроветворная система в силу высокой радиочувствительности является критическим органом, поражению которого принадлежит ведущее место в патогенезе и клинике лучевой болезни. Развивающаяся лучевая аплазия костного мозга обусловливает появление панцитопении и других характерных для лучевой болезни проявлений поражения кроветворной системы (геморрагического синдрома, инфекционно-воспалительных осложнений).
В развитии лучевой болезни имеет значение тот факт, что ионизирующее излучение оказывает специфическое повреждающее действие на радиочувствительные ткани и неспецифическое (опосредованное) действие, осуществляемое при участии нервной и эндокринной систем.
Изменения в нервной системе возникают как в результате непосредственного повреждающего действия ионизирующего излучения на структурные элементы нервной клетки, так и вследствие раздражения экстеро- и интерорецепторов. Характерным является нарушение функциональных взаимоотношений между различными отделами ЦНС (корой больших полушарий, подкорковыми и спинальными центрами), вследствие чего рефлекторно изменяется деятельность внутренних органов, эндокринной системы. Отмечается снижение активности всей эндокринной системы, нарушается ее общая сбалансированная активность. Расстройство эндокринной регуляции усугубляется нарушением чувствительности тканей к действию гормонов.
Нейроэндокринные изменения имеют значение не только в формировании патологических реакций, но и в развитии компенсаторных реакций.
Процессы восстановления начинаются практически сразу после прекращения радиационного воздействия и протекают одновременно с развитием эффектов повреждения. Соотношение между интенсивностью процессов определяет характер отдельных органов и систем.
Наиболее полно восстанавливаются функции ткани с высокой пролиферативной способностью. При восстановлении тканей с малой активностью физиологической регенерации остаются необратимые изменения.