ВходРадиочувствительность тканей и органов организма. Радиочувствительность тканей и органов организма Радиационные синдромы: действие ионизирующего излучения на систему кроветворения, пищеварения и центральную
Глава 3.6. Радиочувствительность организмов и тканей
3.6.1. Радиочувствительность при внешнем облучении
Млекопитающие и человек обладают наибольшей радиочувствительностью к облучению по сравнению с птицами, рыбами и т. д. различие в радиочувствительности проявляется также и в органах, составляющих организм как единое целое. Клетки одного органа также имеют неодинаковую чувствительность и неодинаковую способность к регенерации после лучевого поражения.
Для количественного изучения радиочувствительности организма используют кривые выживания или смертности (рис. 30).
Рис.30. Кривая смертности для млекопитающих.
Для всех видов млекопитающих такая кривая всегда имеет S-образную форму. Это объясняется тем, что при облучении в начальном диапазоне доз, гибели не наблюдается (вплоть до так называемой «минимально летальной дозы» – это 4 Гр), а начиная с некоторой дозы («минимально абсолютно летальной дозы» – это 9 Гр) погибают все животные. Так как вся смертность регистрируется в интервале между этими дозами, на этом отрезке кривая круто поднимается вверх, приближаясь к 100%.
Из-за различной радиочувствительности органов и тканей для организма небезразлично, будет ли облучаться весь организм или только его часть, или организм получит общее, но неравномерное облучение. Общее равномерно облучение вызывает наибольший радиобиологический эффект. В общем случае радиочувствительность органов зависит не только от радиочувствительности тканей, которые оставляют орган, но и от его функций.
Степень радиочувствительности тканей характеризуют по ряду признаков. Органы по функционально-биохимическим признакам, определяющим сорбционный показатель тканей, можно распределить по радиочувствительности по убывающей последовательности: большие полушария, мозжечок, гипофиз, надпочечники, тимус, лимфатические узлы, спинной мозг, ЖКТ, печень, селезёнка, легкие, почки, сердце, кожа и костная ткань.
3.6.2. Тканевая радиочувствительность
Для выявления скрытых радиационных поражений медленно обновляющихся тканей (костная, мышечная, нервная) Стрелин сочетал облучение с последующим нанесением механической травмы. Удавалось выявить консерватизм лучевого поражения, проявляющегося в утрате или угнетении способности облученной ткани к посттравматической регенерации. Опыты позволили установить, что и ионизирующее излучение действует и на медленно обновляющиеся ткани, поэтому они оказываются потенциально неполноценными в функциональном отношении. Важной причиной, определяющей степень и вероятность развития отдаленных последствий в этих тканях, является величина разовых доз и общая продолжительность облучения. С этим связано проявление репарации, характерной для этих тканей. Следствием скрытых повреждений, возникающих в клетках этих тканей, являются различные осложнения лучевой терапии: миелиты, циститы, заболевания сердца, почек, печени, возможно возникновение злокачественных новообразований. Под действием эквивалентных доз количество хромосомных аберрации в клетках печени и костного мозга будут одинаковы. Поэтому понятия радиочувствительности применимо к различным органам и тканям вполне относительно.
По морфологическим признакам развивающихся пострадиационных изменений органы делят на три группы:
Органы, чувствительные к радиации ;
Органы, умеренно чувствительные к облучению ;
Органы, резистентные к действию радиации (см. рис. 31).
Рис. 31. Радиочувствительность органов и тканей.
Заболевания крови. При общем облучении в пределах полулетальных и летальных дозах развивается типичный кроветворный синдром, который характеризуется панцитопенией – уменьшение числа форменных элементов в крови в результате аплазии кроветворной ткани. Одновременно с количественными наблюдаются морфологические и биохимические изменения в клетках. Восстановление картины происходит медленно, в течении нескольких месяцев.
Кроветворные органы являются наиболее радиочувствительными среди других систем, изменение картины периферической крови является следствием поражения гемопоэтической ткани. Нарушения процессов кроветворения наступает очень рано и в дальнейшем развивается пофазно.
Легкие. Легкие являются наиболее чувствительным органом грудной клетки. Радиационные пневмониты сопровождаются потерей эпителиальных клеток, которые выстилают дыхательные пути и легочные альвеолы, воспалением дыхательных путей, легочных альвеол и кровеносных сосудов, приводя к фиброзам. Эти эффекты могут вызывать легочную недостаточность, и даже гибель в течение нескольких месяцев после облучения грудной клетки. Данные, полученные при лучевой терапии, показывают, что пороговые дозы, вызывающие острую легочную гибель,– около 25 Гр рентгеновского или гамма-излучения, а после облучения легких дозой 50 Гр гибель составляет 100%.
Гонады (половые железы). Вследствие крайне высокой радиочувствительности половых клеток на ранних стадиях развития уже при дозах0,05- 0,1 Гр у большинства животных и человека происходит массовая гибель клеток, а после 2–4 Гр – стерильность. Зрелые клетки – сперматозоиды, напротив, крайне резистентны. Поэтому плодовитость сохраняется до тех пор, пока не истощится запас жизнеспособных зрелых, половых клеток. Но и после этого, наступающая стерильность носит временный характер, так как постепенно происходит восстановление сперматогенеза из сохранившихся сперматогоний.
Физиологическая регенерация в половых органах самок млекопитающих проявляется в основном не в смене отдельных клеток, а в циклически повторяющихся процессах развития, регулируемых эндокринным аппаратом и охватывающих целые клеточные комплексы. Наиболее чувствительный элемент яичника – яйцеклетка. Воздействие однократных острых доз 1–2 Гр на оба яичника вызывает временное бесплодие и прекращение менструаций на 1–3 года. Острые дозы порядка 4 Гр приводят к бесплодию. Стерильность самок возникает при меньших дозах, чем у самцов, но, как правило, необратима. Это связывают с тем, что образование женских половых клеток заканчивается ещё до рождения и во взрослом состоянии яичники не способны к активной регенерации. Поэтому, если облучение вызвало гибель всех потенциальных яйцеклеток, то плодовитость утрачивается необратимо. Как результат поражения яичников изменяются и вторичные половые признаки.
Влияние радиации на зрение. Известны два типа поражения глаз – воспалительные процессы в конъюнктиве и склере при дозах, близких к вызывающим поражения кожи, и катаракта при дозах 3–8 Гр и катаракта при дозах 3–10 Гр, причем величина дозы зависит от вида животных. У человека катаракта появляется при облучении дозой 6 Гр. Наиболее опасны в этом случае нейтроны, при облучении которыми частота заболеваний в 3–9 раз выше, чем при гамма-излучении. Причины образования катаракты полностью не выяснены. Считается, что ведущую роль при этом играет первичное поражение клеток ростковой зоны хрусталика, и относительно меньше влияние нарушение его питания.
Органы пищеварения. Все органы пищеварения проявляют реакции на ИИ. По степени радиочувствительности они распределяются следующим образом: тонкий кишечник, слюнные железы, желудок, прямая и ободочная кишка, поджелудочная железа и печень. При действии большими дозами радиации на весь организм или только на область живота наступает быстрое поражение кишечника, в результате чего развивается желудочно-кишечный синдром. Среднелетальные и более высокие дозы вызывают выраженные изменения в кишечной стенки. Большую роль также играет нарушение барьерно-иммунной функции кишечника, в результате чего микрофлора попадает внутрь организма и вызывает токсикоз и сепсис. Средние сроки наступления смерти 7–10 дней.
Слюнные железы отвечают на действие радиации сдвигами секреции. Секреция желудочных желез при общем облучении изменяется в зависимости от исходного состояния. Функции кишечника меняются волнообразно: в первые дни наступает повышение, затем снижение, которое продолжается до развития восстановительных процессов или до гибели организма. Изменения функции поджелудочной железы зависят от дозы: малые дозы стимулируют, а большие – угнетают. В печении изменяются метаболические процессы, угнетается желчеобразование, возникают кровоизлияния и некрозы.
Сердечно-сосудистая система. Вэкспериментах на мышах было обнаружено, что наиболее радиочувствителен наружный слой сосудистой стенки из-за высокого содержания в нем подверженного перерождению коллагена–белка соединительной ткани, который обеспечивает выполнение стабилизирующей и опорной функций. Показательно, что через 4– 5 месяцев после облучения некоторые сосуды оказались полностью лишенными внешней оболочки. Причем в коже мышей уже при дозах 4–15 Гр было обнаружено последующее уменьшение восстановления сосудов.
При исследовании сердца обнаружены непосредственные и отдаленные изменения в миокарде после локального облучения дозами 5–10 Гр. Получены также данные о значительной радиочувствительности клеточного слоя, выстилающего внутреннюю оболочку сердца и створки клапанов, что способствовало образованию внутрижелудочковых тромбов через полгода после локального облучения области сердца мышей дозами порядка 20 Гр.
Эндокринные железы. Клетки эндокринных желез высокоспециализированы и медленно делятся. Чувствительность эндокринных желез на лучевой раздражитель является в основном опосредованной реакцией и осуществляется она рефлекторным путём через нервную систему. Поэтому предполагают, что наблюдаемые после общего облучения нарушения баланса гормонов, особенно щитовидной железы, надпочечников и гонад, могут быть следствием реакции гипоталамо-гипофизарной системы, главное назначение которой – регуляция вегетативных функций организма (деятельность внутренних органов, желез, сосудов).
Органы выделения. Считают, что почки достаточно устойчивы к облучению, но именно их повреждения являются ограничением для облучения опухолей брюшной полости при лучевой терапии. При острой лучевой болезни наблюдаются кровоизлияния различной интенсивности, застойные и дистрофические явления. Облучение обеих почек дозой, большей 30 Гр, за 5 недель может вызвать неизлечимый хронический нефрит с летальным исходом. Механизм поражения слабо изучен, однако известно, что именно радиационные циститы приводят к серьезным осложнениям лучевой терапии.
Кости и сухожилия. Втечение интенсивного роста кости и хрящи более радиочувствительны. После его окончания облучение приводит к омертвению участков кости – остеонекрозу – и возникновению спонтанных переломов в зоне облучения. Другим проявлением радиационного поражения является замедленное заживление переломов, и даже образование ложных суставов.
Мышцы. Мышечная ткань- наиболее радиорезистентная ткань, морфологические изменения её возникают при местном облучении несколькими сотнями Гр. В мышцах клеточного обновления почти не происходит. Слабая мышечная атрофия была обнаружена только при дозах порядка 60 Гр. При общем облучении изменения в мышцах возникают уже в ранние сроки лучевой болезни. От дозы 3–5 Гр при облучении всего тела умирает примерно половина всех облученных в течение одного – двух месяцев вследствие поражения клеток костного мозга. Локальные дозы, допустимые при лучевой терапии опухолей, могут быть значительно выше.
Радиочувствительность определяется, как правило, по отношению к острому облучению, притом однократному. Поэтому системы, состоящие из быстро обновляющихся клеток, более радиочувствительны.
Если облучение является хроническим то быстро обновляющиеся клетки не будут сильно реагировать на этот фон, а для мало делящихся или совсем не делящихся клеток доза, которую они набирают в течение длительного времени, будет соответствовать той же дозе при остром облучении. Получается наоборот, что в этом случае более уязвимы те органы и ткани, которые считаются более радиочувствительными. Конечно, это происходит при определенной мощности дозы. Исследования радиочувствительности в этом случае никто не проводил, поэтому наше предположение, хотя оно и совершенно очевидно, остается только предположением.
Кожные покровы. Кожа и её производные – весьма активно обновляющиеся системы и поэтому в целом кожа более радиочувствительна. Наряду с высокой чувствительностью эпидермальные клетки хорошо восстанавливают сублетальные повреждения. Максимально переносимая доза жёсткого рентгеновского излучения составляет при однократном внешнем воздействии около 1000 рад. Радиационное повреждение кожи представляет собой комплекс поражений тканей эпидермиса, дермы и подкожных слоев. При облучении умеренными дозами (3–8 Гр) возникает характерное покраснение кожи – эритема, которая проходит обычно через 24–58 часов. Вторая фаза наступает через 2–3 недели. Она сопровождается потерей поверхностных слоев эпидермиса. Состояние кожи близко к первой степени термических ожогов, например, солнечных, и может длиться несколько недель, затем проходит. На коже остаются темные пятна. При облучении кожи дозой 10 Гр вторая фаза эритемы продолжается около недели, затем появляются волдыри, изъязвления, сопровождающиеся выделением жидкости. Состояние кожи напоминает при этом вторую степень термических ожогов, заживление может длиться неделями с последующим формированием непроходящих рубцов. При дозе порядка 50 Гр эпидермис разрушается, дерма и подкожные слои повреждаются. Лучевые реакции проявляются раньше, заживление язв и других повреждений может продолжаться годы и иметь рецидивы.
Клетки волосяных фолликулов являются довольно радиочувствительными, и облучение дозой 4–5 Гр уже влияет на рост волос. После облучения такой дозой волосы начинают редеть и выпадают в течение 1–3 недель. В более поздний период рост волос может возобновиться. Однако при облучении дозой порядка 7 Гр происходит постоянная потеря волос. При дозах, вызывающих эпиляцию, происходит стойкое разрушение большинства сальных и поровых желез.
Эмбрион и плод. Наиболее серьезные последствия облучения – гибель до или во время родов, задержка развития, аномалии многих тканей и органов тела, возникновение опухолей в первые годы жизни.
В период формирования органов облучение вызывает внутриутробную гибель или гибель сразу после рождения. ЛД 50 для внутриутробной гибели мышей составляет 1–1,5 Гр в период раннего формирования органов, а к зародышевому достигает 7 Гр. Облучение на стадии формирования органов приводит к высокой смертности сразу после рождения. Кроме того, облучение дозой 1 Гр или большей после имплантации вызывает пороки развития у 100% потомства, что влечет за собой гибель в младенчестве или во взрослом состоянии. Аномалии могут развиться во всех важнейших органах и тканях тела. Хотя и считается, что в зародышевый период ЛД 50 более высока, можно наблюдать некоторые микроскопические повреждения при дозе 1 Гр.
Аномалии развития плода человека, вызываемые облучением, экспериментально удается воспроизвести при облучении эмбрионов мыши и крысы на сравнимых стадиях развития. Сопоставляя стадии их эмбриональных структур в двух периодах беременности, можно построить соответствующую кривую, коррелирующую эквивалентные возрасты эмбрионов мыши и человека. Правда, скорости развития эмбриона мыши и человека различаются с возрастом, особенно после 14-го дня, однако средний коэффициент приведения между ними равен приблизительно 13. Поэтому экстраполяция результатов облучения эмбрионов мыши на эффекты у плода человека обладает большой долей вероятности, что и позволяет получать информацию о специфической чувствительности к излучению отдельных органов человека. С учетом приведенного коэффициента период наибольшей радиочувствительности эмбриона человека сильно растянут во времени. Он начинается, вероятно, с зачатия и кончается приблизительно 38-м днем после имплантации; в этот период развития у эмбриона человека начинают формироваться зачатки всех органов посредством быстрой дифференцировки из клеток первичных типов. Подобные превращения у эмбриона человека в период между 18-м и 38-м днем происходят почти в каждой из тканей. Так как переход любой клетки из эмбрионального состояния в состояние зрелости – наиболее радиочувствительный период ее формирования и жизни, то все ткани в это время оказываются высоко-радиочувствительными. Мозаичность процесса дифференциации эмбриона и связанное с ним изменение числа наиболее радиочувствительных клеток определяют степень радиочувствительности той или иной системы или органа и вероятность появления специфической аномалии в каждый момент времени. Поэтому фракционированное облучение приводит к более тяжелым повреждениям, так как воздействие захватывает разнообразные типы зародышевых клеток и их различное распределение, что приводит к повреждению большого количества зачатков органов, находящихся на критических стадиях развития. В этот период максимальное поражение может быть вызвано самыми малыми дозами ионизирующего излучения, для получения аномалий в более поздний период эмбрионального развития требуется воздействие больших доз излучения. Приблизительно через 40 дней после зачатия грубые уродства вызвать трудно, а после рождения – невозможно. Однако следует помнить, что в каждый период развития эмбрион и плод человека содержат некоторое количество нейробластов, отличающихся высокой радиочувствительностью, а также отдельные зародышевые клетки, способные аккумулировать действие излучения.
Как показали результаты изучения последствий облучения беременных женщин во время атомной бомбардировки в городах Хиросима и Нагасаки, степень проявления аномалий и их особенности в основном соответствовали ожидаемым. Так, согласно одному из обследований у 30 женщин, находившихся в 2000 м от эпицентра взрыва и имевших серьезные симптомы лучевого воздействия, примерно в половине случаев отмечена внутриутробная смертность плода, гибель новорожденных или младенцев, а у четырех из 16 выживших детей наблюдалась умственная отсталость. Согласно данным другого наблюдения почти у половины (45%) детей, родившихся от матерей, подвергшихся облучению при сроках беременности 7–15 недель, имелись признаки умственной отсталости. Кроме того, у потомства женщин, перенесших облучение в первой половине беременности, отмечены микроцефалия, задержка роста, монголизм и врожденные пороки сердца, частота и степень аномалий были выше в тех случаях, когда пострадавшие матери находились на расстоянии менее 2000 м от эпицентра взрыва. Но и в этих случаях не наблюдалось таких резких неврологических нарушений, какие были получены при облучении мышей; вероятно, это связано с малой выживаемостью таких детей. Эти наблюдения относятся лишь к 6–8-летним детям, а в этом возрасте еще не проявляются многие нарушения, которые могут быть обнаружены только в юношеском и более позднем возрасте.
Следует иметь в виду, что облучение эмбриона в малых дозах может вызвать такие функциональные изменения в клетке, которые невозможно зарегистрировать современными методами исследования, но которые способствуют развитию болезненного процесса через много лет после облучения. Следовательно, все отдаленные последствия облучения эмбриона могут быть выражены в большей степени, нежели при облучении взрослого организма. Так, например, частота лейкемий у потомства матерей, подвергавшихся рентгеновскому облучению во время беременности, приблизительно удваивается.
Облучение, эмбриона человека в период первых двух месяцев ведет к 100%-ному поражению, в период от 3 до 5 месяцев – к 64%, в период от 6 до 10 месяцев – к 23% поражения эмбрионов.
Если суммировать экспериментальные данные, можно сделать вывод, что во время беременности млекопитающих облучение дозой 0,5 Гр приводит к гибели эмбрионов при имплантации, порокам развития при формировании органов, потере клеток и недоразвитию тканей в зародышевый период. Более того, некоторые эксперименты показали увеличение количества пороков при дозе 0,1 Гр, поэтому считают, что не существует пороговой дозы, ниже которой облучение не вызывало бы никакого эффекта для млекопитающих. В зарубежной литературе до 1986 г. были, например, приведены такие цифры для человека: облучение эмбриона или зародыша дозой 0,05 Гр в течение трех первых месяцев беременности может увеличить предрасположенность к раку в 10 раз. Приводятся также доказательства того, что внутриутробная диагностика с использованием рентгеновского излучения в дозах 0,002-0,200 Гр может вызвать развитие опухолей у детей. Единого мнения среди специалистов нет, но многие национальные и международные комитеты осуществляют контроль за профессиональным и клиническим облучением женщин.
Причины и механизмы, определяющие естественную радиочувстви-тельность биологических объектов, пока полностью не раскрыты, но многие аспекты хорошо изучены. Например, факторы, влияющие на радиоустойчивость растений по классификации Гродзинского Д.М., разделяются на 3 группы. К первой группе отнесены факторы, обусловленные филогенезом вида, которые нельзя модифицировать: анатомическое строение растений, размер семян, объем клеточных ядер и хромосом, число хромосом и плоидность. Во вторую группу входят факторы, характеризующие функциональное состояние отдельных структур клетки и физиологическое состояние генома: этап онтогенеза, содержание сульфгидрильных групп (SH-групп), наличие антиоксидантов и макроэргов, способность к пострадиационному восстановлению. Третью группу факторов представляют факторы внешней среды, такие, как погодно-климатические условия и условия минерального питания растений. Радиобиологические эффекты растений и животных имеют ряд сходных реакций, таких, как наличие критических (наиболее радиочувствительных) клеток, тканей и органов, одинаковые типы хромосомных аберраций, потеря контроля над обменом веществ, образование соматических и генетических мутаций, трансформация клеток, радиационный канцерогенез (опухоли органов).
Реакции живых организмов на ядерное излучение весьма многообразны и определяются параметрами излучения и особенностями организма. Отношение организма к ионизирующему излучению характеризуется радиочувствительностью и радиоустойчивостью (радиорезистентностью). Эти два термина взаимосвязаны и с разных сторон отражают одно и то же явление - если организм обладает высокой радиочувствительностью, то он характеризуется низкой радиоустойчивостью, и наоборот.
Радиочувствительность - способность организма реагировать на малые дозы радиации, которая проявляется через нелетальные радиобиологические эффекты в организме. Радиоустойчивость - способность организма переносить высокие уровни облучения (летальные и полулетальные дозы). Чем меньше дозы, вызывающие нелетальные радиобиологические эффекты, тем выше радиочувствительность организма. Чем больше доза, вызывающая гибель организма, тем выше его радиоустойчивость.
Для характеристики радиочувствительности растений используются следующие критерии: лабораторная и полевая всхожесть, длинна корней у проростков, высота растений, число сформировавшихся органов, цветков и семян, масса растения, количество и масса семян на одном растении, выживаемость растений, а также выход хромосомных аберраций в мета- и анафазе.
Радиочувствительность оценивается летальной и полулетальной дозами. Летальная доза - ЛД 100 (или ЛД 100/30) - это минимальная доза облучения, вызывающая смерть 100% облученных организмов в течение 30 дней. Соответственно ей определяется полулетальная доза ЛД 50 (или ЛД 50/30) - минимальная доза облучения, вызывающая смерть 50% облученных организмов в течение 30 дней. Величины ЛД 50 в природе различаются довольно значительно даже в пределах одного вида.
Наиболее высокой радиочувствительностью среди растений обладают растения семейства лилейных. Самые радиоустойчивые растения относятся к семейству крестоцветных (табл.2).
Таблица 2
Радиочувствительность семян некоторых высших растений
|
Смородина Крыжовник Кукуруза |
|
|
Картофель |
|
|
В настоящее время имеются сведения о радиочувствительности более чем 2000 растений, принадлежащих к разным семействам, родам и видам. Однако радиочувствительность оценена у семян - стадии онтогенеза растения, в которой оно находится в состоянии глубокого вынужденного покоя и поэтому обладает высокой устойчивостью к ионизирующим излучениям и ко всем повреждающим факторам.
При прорастании семян их радиочувствительность возрастает в 15-20 раз, потому что прорастание сопровождается активным делением клеток, а делящиеся клетки более чувствительны к облучению, чем клетки, находящиеся в стадии покоя. Кроме этого обязательным условием для прорастания семян является наличие воды. Высокая обводненность объектов при облучении способствует гораздо большему выходу свободных радикалов (Н о и ОН о), что усиливает радиационное поражение.
В мире низших растений и организмов самой высокой радиоустойчивостью обладают микроорганизмы, грибы и лишайники. Некоторые виды микроорганизмов выдерживают облучение в дозах 10 4 - 10 5 Гр. Среди древесных растений менее радиоустойчивы хвойные породы. После аварии на ЧАЭС в хвойных лесах, находящихся в 30-километровой зоне от АЭС, наблюдался широкий спектр морфологических аномалий вегетативных и генеративных органов, частота появления и степень тяжести которых зависели от дозы облучения.
В определенном диапазоне доз (5-20 Гр) ядерные излучения обладают стимулирующим действием. Радиостимуляция обнаружена у всех биологических объектов, начиная с одноклеточных и кончая растениями и животными. Впервые эффект радиационной стимуляции был получен на растениях в 1898 году. Облучение семян вызывает активацию многих процессов обмена: усиливается синтез нуклеиновых кислот, белков, гормонов, повышается активность некоторых ферментов, изменяется проницаемость мембран, увеличивается поступление в растения питательных веществ и т.д. Одним из важнейших механизмов общего стимулирующего действия излучения является образование неспецифических веществ хиноидной природы, которым А.М. Кузин дал название триггер-эффекторы. Хиноны образуются из полифенолов в результате радиационно-химических реакций окисления и активации полифенолоксидаз. При облучении высокими дозами хиноны возникают в растительных объектах в больших концентрациях и оказывают угнетающее действие на их развитие. В малых концентрациях (10 -7 -10 -8 М) эти вещества действуют как стимуляторы. Проникая в ядра клеток, они соединяются с гистонами и тем самым снимают неспецифическую блокаду генома этими белками, т.е. происходит дерепрессия (активация) определенной группы генов. Начинается усиленный синтез информационных РНК, белков, ферментов, фитогормонов, индуцирующих метаболические процессы. Это в свою очередь существенно сокращает фазы клеточного цикла на ранних стадиях развития. Стимулирующий эффект облучения обнаружен не только при облучении семян, но и при облучении клубней, луковиц, черенков, корневищ, усов. Повышенный уровень триггер-эффекторов вызывает дерепрессию (перевод в активное состояние) генома не только у клеток верхушечной точки роста, но и в боковых почках, что приводит к интенсивному росту и увеличению числа боковых побегов. Таким образом, образование неспецифических триггер-эффекторов хиноидной природы составляет один из важнейших механизмов общего стимулирующего действия излучения. Облучение семян различных культур стимулирующими дозами перед посевом приводит к повышению урожая на 10-25% и к улучшению его качества, т.е. к повышению содержания белка, сахара, крахмала, витаминов, аминокислот и других веществ, которые сформировались у растений различных видов в процессе эволюции. Стимуляция картофеля происходит при облучении клубней в дозах 0,5-5,0 Гр за 2-6 суток до посадки, при этом возрастает урожайность на 18-25% и увеличивается содержание крахмала на 15%. Гамма-облучение черенков или подвоя виноградной лозы увеличивает выход полноценных прививок на 11-34%. При этом отмечается интенсивное деление клеток в камбиальном слое на месте срастания подвоя с привоем, что способствует более быстрому срастанию тканей привоя с подвоем. Облучение может снимать тканевую несовместимость подвоя с привоем. Гамма-стимуляция применяется при выгонке зеленных культур, для ускорения развития и цветения луковичных и цветочных растений и при разведении редких и лекарственных растений.
Радиостимуляция у животных изучена меньше, чем у растений. По мнению ряда ученых механизм стимулирующего действия малых доз ионизирующих излучений на организм животных на молекулярно-биологическом уровне не может существенно отличаться от механизма действия на растения. Интенсивность процессов обмена веществ, ускорения развития, роста и повышение продуктивности животных осуществляются за счет активации стероидных гормонов, которые контролируют эти процессы. В условиях эксперимента радиостимуляция изучена на мышах и крысах. Радиостимуляционный эффект проявляется в повышении плодовитости в два раза, в ускорении роста и массы тела. Радиостимуляцию изучают в птицеводстве, скотоводстве, свиноводстве и звероводстве. Широкий радиостимуляционный эффект выявлен при облучении яиц, цыплят и кур несушек. При облучении куриных яиц перед закладкой в инкубатор дозой 0,03-0,05 Гр усиливалась интенсивность роста и развития эмбрионов, увеличивалась выводимость, выживаемость цыплят и повышалась яйценоскость кур. Стимулирующее действие выявлено при облучении цыплят бройлеров (при облучении дозой 0,25 Гр и 0,5 Гр масса цыплят возрастала на 12-15%) и кур-несушек (яйценоскость при облучении дозой 0,5 Гр возрастала на 10-18%). Механизм стимулирующего действия на яйценоскость кур и мясную продуктивность связывают с возникновением триггер-эффекторов (гонадолиберинов), которые воздействуют на гипофиз и стимулируют выработку стероидных половых гормонов, что ускоряет рост и развитие. Облучение ягнят тонкорунных овец в одно-, двух- и трехмесячном возрасте малыми дозами приводило к повышению живой массы, выживаемости, настригу, густоты и длины шерсти. При облучении суточных поросят дозами 0,1-0,25 Гр наблюдалось увеличение массы тела на 10-15% в первые три месяца жизни. Облучение такими же дозами норок и черно-бурых лисиц повышало выживаемость потомства, сопротивляемость его болезням, улучшало качество пушнины и длину шкурки. Таким образом, радиостимуляция общебиологическое явление, присущее многим организмам.
В настоящее время ионизирующие излучения широко используются для получения мутантных форм растений. Под влиянием ионизирующих излучений возникают хромосомные и генные (точковые) мутации. Хромосомные мутации вызывают летальный исход. Генные мутации являются источником мутантных форм как полезных, так и вредных для растений. Известно, что вся совокупность свойств, которые характерны для конкретного биологического вида, запрограммирована в ДНК в виде последовательного чередования нуклеотидов, т.е. в виде генетического кода. Облучение ДНК вызывает окисление пиримидиновых и распад пуриновых оснований. В процессе редупликации на поврежденной матрице возможна ошибочная репарация, т.е. замена пуриновых оснований пиримидиновыми и наоборот, что приводит к нарушению генетического кода и появлению генных мутаций. Выход мутаций с увеличением дозы возрастает, но вместе с этим увеличивается стерильность растений, подавляются ростовые и формообразовательные процессы. Используются дозы, при которых сохраняется способность растений формировать полноценные репродуктивные органы. Хозяйственно полезные мутанты, сочетающие высокую продуктивность с другими признаками, появляются, как правило, очень редко. Селекционно-ценные мутантные формы растений выделяются содержанием питательных веществ, скороспелостью, устойчивостью к болезням, устойчивостью к полеганию, повышенной продуктивностью и другими признаками. Мутантные формы используются в качестве донора полезного признака в селекции растений. В мировой селекционной практике наибольшее количество сортов с участием радиационных мутантов получено на ячмене (68), рисе (64), пшенице (31), арахисе (14) и фасоли (10).
Наибольший интерес в мире животных представляют млекопитающие. Известно, что млекопитающие (человек и животные) обладают наибольшей чувствительностью к облучению по сравнению с птицами, рыбами, земноводными и др. (табл.3). Причины разной радиочувствительности организмов пока неизвестны. Однако общая тенденция такова: начиная от зародыша до половозрелого состояния радиочувствительность организма и его органов постепенно понижается, в среднем возрасте стабилизируется и к старости вновь понижается.
Различие радиочувствительности проявляется также в органах, составляющих организм как целое. Клетки одного органа имеют неодинаковую радиочувствительность и способность к регенерации после лучевого повреждения. По радиочувствительности условно все органы и ткани можно разделить на три группы.
Таблица 3
Радиочувствительность живых организмов
К первой, наиболее чувствительной к излучениям группе, относятся костный мозг, половые железы, селезенка, лимфоидная ткань. Стволовые клетки этих тканей полностью погибают при дозе облучения 10 Гр. Морфологически регистрируемые изменения в них возникают при облучении дозой 0,25 Гр.
Ко второй, более резистентной к излучениям группе, относятся пищеварительный тракт, печень, органы дыхания, органы выделения, органы зрения, мышечная ткань. Клетки этих тканей выдерживают дозу облучения до 40 Гр.
К третьей группе относятся нервная ткань, кожные покровы, хрящевая и костная ткань, которые выдерживают дозу облучения до 80 - 100 Гр.
Наиболее радиочувствительные органы и системы называются критическими. С их поражением связана гибель организма в определенные сроки после облучения. Клетки критических органов имеют короткий жизненный цикл и высокие темпы обновления (за одну минуту отмирают и вновь образуются десятки и сотни тысяч клеток). Большую скорость обновления имеют кроветворная система и желудочно-кишечный тракт. Центральная нервная система состоит из высокодифференцированных клеток, которые после отмирания не восстанавливаются.
К кроветворным органам относятся костный мозг, лимфатическая ткань, селезенка, вилочковая железа (тимус). Нарушение процессов кроветворения в этих органах наступает очень рано - непосредственно в ходе лучевого воздействия, а дальнейшее развитие и проявление нарушений носят фазовый характер, что связано с разной радиочувствительностью клеток и с процессами восстановления в клетках.
Самый высокорадиочувствительный орган - костный мозг, при общем облучении он поражается в первую очередь. При внешнем облучении животных дозами ЛД 50/30 и выше прекращается митоз клеток, появляются дегенеративные формы некоторых видов клеток, в крови снижается количество эритроцитов. К ранним изменениям костного мозга при внешнем облучении относятся также уменьшение незрелых форм красной и белой фракции, тромбоцитов и увеличение гранулоцитов. Установлено, что костный мозг обладает достаточно большой способностью к регенерации (т. е. к восстановлению), которая при среднелетальных дозах наступает через 4-7 суток, и к концу 4-й недели картина костного мозга или структура крови становится близкой к нормальной. При летальных и сверхлетальных дозах радиации нормальное содержание клеток не восстанавливается и происходит аплазия костного мозга.
Радиационное воздействие на лимфотическую ткань приводит к раннему разрушению лимфобластов и лимфоцитов в самой ткани и лимфоцитов в периферической крови. Полулетальные и летальные дозы облучения вызывают нарушения структуры ткани, различные изменения лимфоузлов и других лимфоидных образований.
Облучение полулетальной дозой селезенки приводит к прекращению митоза и гибели части лимфоцитов. В результате разрушения клеточных элементов орган уменьшается в размере и массе.
Клетки вилочковой железы - тимоциты (лимфоциты) - погибают практически все в течение первых суток. Восстановление клеток до исходного уровня происходит за счет единичных неповрежденных клеток.
Характерной реакцией организма на лучевое воздействие является изменение количества лейкоцитов: в первые минуты и часы наблюдается незначительное уменьшение; через 6-8 часов - увеличение на 10-15% от исходного уровня; через 24 часа - резкое снижение от исходного уровня. Степень и фазность изменения количества лейкоцитов находятся в прямой зависимости от дозы, а также от вида животных. Время восстановления количества лейкоцитов до нормы составляет 2-3 месяца.
Облучение животных полулетальными дозами приводит к изменению количества эритроцитов. В первые сутки увеличиваются количество клеток и содержание гемоглобина в крови на 10-15%, затем на 15-20-е сутки содержание снижается в 2-3 и более раз от нормы. Параллельно с количественными нарушениями происходят морфологические и биохимические нарушения: увеличение размеров клеток, пикноз ядер и вакуолизация цитоплазмы, а также образуются двуядерные клетки и клетки аномальных форм. Эритроциты восстанавливаются до нормального количества за 2-5 месяцев.
По радиочувствительности тромбоциты занимают промежуточное положение между лейкоцитами и эритроцитами. Облучение дозой ЛД 50 приводит к резкому снижению количества тромбоцитов в первые сутки. Появляются клетки с различными аномалиями: двуядерные, с непропорциональными размерами ядра и цитоплазмы. В организме нарушаются такие процессы, как поглощение протромбина, свертываемость крови, рекальцификация плазмы и другие. Восстановление тромбоцитов наблюдается на 35-45 день после облучения.
Наиболее радиочувствительными клетками крови являются лимфоциты. Регистрируемое уменьшение содержания лимфоцитов отмечается при облучении дозой 0,6 Гр. При облучении дозой ЛД 50/30 наибольшее снижение наблюдается через 1-3 суток. Для этого периода характерны морфологические изменения клеток, нарушение соотношения малых форм, появление двуядерных клеток, зернистость и вакуолизация ядра и протоплазмы, изменение активности ферментов. Фазность изменения, характерная для лейкоцитов, у лимфоцитов отсутствует.
Наряду со значительными изменениями в структуре крови и кроветворных органах отмечаются структурные изменения стенок кровеносных сосудов, особенно капилляров. Это сопровождается различными кровоизлияниями (точечные и разлитые) и кровотечениями (наружные и внутренние).
Все органы пищеварения проявляют функциональные и морфо-логические реакции на облучение. По степени радиочувствительности они распределяются следующим образом: тонкий кишечник, слюнные железы, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень. Наибольшая чувствительность у железистого эпителия и эпителия ворсинок. Облучение приводит к прекращению деления и отмиранию клеток, к оголению клеток ворсинок и крипт, что сопровождается выходом плазмы крови в кишечник, а также приводит к снижению барьерно-иммунной функции кишечной стенки, в результате чего микрофлора кишечника попадает в организм и вызывает токсикоз и бактериемию. Лучевое поражение проявляется через тошноту, рвоту, понос. Большие дозы лучевого воздействия угнетают секрецию желудочных желез, что приводит к морфологическим изменениям - кровоизлияниям, катарам, язвам, рубцовым стенозам, свищам. Нормализуется функциональное состояние желудочно-кишечного тракта в разные сроки, доходящие до нескольких месяцев.
Половые железы млекопитающих реагируют на облучение в принципе однотипно. Основное видовое отличие - величина повреждающей дозы, которая тесно связана с видовой радио-чувствительностью организмов. При действии радиации на половые железы сильнее повреждается генеративная функция и менее нарушается их гормональная деятельность. Степень постлучевых изменений в половых железах зависит в основном от дозы и способа облучения. Половые клетки семенников по радиочувствительности располагаются в следующем убывающем порядке: спермиогонии, спермиоциты, спермиды, зрелые спермии. Гистологическое исследование выявляет многочисленные кровоизлияния в паренхиму железы, в просветах семенных канальцев - скопление некротических клеток, единичные измененные спермиогонии и спермиоциты. Сперматогенез восстанавливается за счет выживших спермиогоний через несколько месяцев, но при этом отмечается большое количество дефектных спермиев, а в паренхиме семенников - развитие склеротических процессов. У молодых неполовозрелых животных семенники и яичники более чувствительны к облучению, чем у половозрелых. По степени уменьшения радиочувствительности клетки функционирующего яичника располагаются в следующем порядке: ооциты II порядка в зрелых фолликулах, ооциты I порядка, зрелые яйцеклетки, эпителий вторичных и первичных фолликулов, желтое тело, покровный эпителий. Радиационное повреждение яичников одинаково у всех животных: вначале повреждаются и погибают наиболее радиочувствительные клетки, происходит деструкция эпителия, фиброзное разрастание соединительной ткани яичника, нарушение половых циклов, гормональные отклонения. Восстановление функций яичников идет очень медленно. Радиочувствительность ооцитов млекопитающих определяется морфологией стадии диплотены, т.е. конфигурацией хромосом в ядре. Ооциты с диффузным расположением хромосом более радиочувствительны (ооциты мышей, хомячков), чем ооциты с компактным расположением (ооциты собаки, человека).
Таким образом, внешнее облучение растений и млекопитающих приводит к формированию у них различных радиационных эффектов.
Радиационные синдромы.
Неодинаковой радиочувствительностью характеризуются не только различные особи одного вида, но разные клетки, ткани, органы, системы органов одного и того же организма. Закономерности протекания биологического эффекта (поражения) при облучении определяются двумя группами факторов. Во-первых, величиной поглощенной организмом эквивалентной дозы и ее распределением в пространстве и времени, во- вторых радиочувствительностью тканей, органов и систем органов, имеющих существенное значение для функционирования организма. Сочетание этих факторов определяет специфику и время проявления эффектов облучения.
Наиболее полно изучена картина поражения ионизирующими излучениями представителей млекопитающих, в т. ч и человека. Как уже отмечалось, ионизирующее излучение являются специфическим, не имеющим аналогов, физическим воздействием на живые системы. В первую очередь специфичность этого облучения определяется высокой проникающей способностью большинства видов ионизирующих излучений. Так, в результате тотального облучения организма рентгеновским, g-, b-, тормозным, нейтронным, протонным излучениями ни один участок организма не остается не облученным. Только в случае a-облучения организм может получить локальное облучение.
В большинстве случаев при облучении животных и человека, возникают изменения в организме, которых принято называть общим термином – лучевая болезнь. Под лучевой болезнью человека и других млекопитающих понимают определенный комплекс проявления поражающего действия ионизирующего излучения на организм. Многообразие лучевых реакций организма зависит от способа облучения (общее, местное, внешнее или внутреннее от инкорпорированных радионуклидов), временного фактора облучения (однократное, повторное, пролонгированное, хроническое). Интенсивность проявлений эффектов облучения зависит также от пространственного фактора, т.е. от размера облученной поверхности и распределения поглощенной дозы в живом организме. По этому фактору, облучение организма может быть тотальным, локальным, равномерным, неравномерным. Самый типичный пример радиационного поражения млекопитающих и человека – это острая лучевая болезнь (ОЛБ). ОЛБ проявляется при однократном тотальном внешнем облучении при эквивалентных дозах более 1 Зв. Для понимания основных закономерностей проявлений лучевого поражения необходимо внести понятие «критический орган». Термином «критический орган» в радиобиологии обозначают жизненно важные ткани, органы или системы органов, у которых нарушается структура и функции при облучении в определенном интервале доз, что обуславливает болезнь или гибель организма через определенное время после облучения. Между величиной поглощенной дозы и средней продолжительностью жизни облученного организма существует строгая зависимость, определяемая различной радиочувствительностью критических органов. Рассмотрим зависимость средней продолжительности жизни облученного организма от величины поглощенной дозы. На рисунке 1 представлены данные экспериментов, определяющих эту зависимость при облучении мышей рентгеновским излучением. Как видно, повышение величины поглощенной дозы от 0 до 10 Гр приводит к снижению продолжительности жизни мышей до нескольких суток. При дальнейшем увеличении дозы облучения (10 –100 Гр) средняя продолжительность жизни животных не изменяется. Облученные в этом интервале доз мыши живут 1- 5 суток. Последующее увеличение поглощенной дозы до 1000 Гр приводит к резкому сокращению продолжительности жизни облученных мышей. В этом интервале доз этот показатель снижается от нескольких суток до нескольких минут. Аналогичные данные о зависимости продолжительности жизни от дозы облучения получены в опытах с многимии животными. Показанный на рисунке специфический характер зависимости продолжительности жизни от дозы облучения определяется радиочувствительностью основных критических органов у млекопитающих: красного костного мозга, желудочно-кишечного тракта, центральной нервной системы. Необратимое поражение этих критических органов обуславливают проявление основных клинических синдромов при облучении человека и млекопитающих: костно-мозгового (кроветворного), желудочно-кишечного, церебрального. Из рисунка 1 видно, что в интервалах доз 0 – 10 Гр гибель мышей обусловлен поражением кроветворной системы, в интервале 10 – 100 Гр- поражением желудочно- кишечного тракта. Быстрая гибель животных при дозах 100 –1000 Гр происходит вследствие поражения центральной нервной системы.
Рис. 1. Зависимость средней продолжительности жизни мышей от величины поглощенной дозы при тотальном однократном облучении рентгеновскими лучами.
Ось ординат – поглощенная доза, Гр; ось абсцисс - средняя продолжительность жизни облученных особей, сут.
Ступенчатый характер кривой, связанный с нарушением структуры и функционирования критических органов получен для многих животных, в т.ч. и для обезьян. Эти экспериментальные результаты с определеенной долей вероятности можно экстраполировать и на человека (рис. 2). Как видно, при дозах облучения в интервале 4-10 Гр средняя продолжительность жизни человека не превышает 40 суток. Гибель облученных при таких дозах происходит вследствие дестабилизации процессов кроветворения (костно-мозговой, кроветворный синдром). При больших дозах (10 –30 Гр) гибель облученных животных происходит вследствие поражения желудочно- кишечного тракта (желудочно-кишечный синдром) и продолжительность жизни особей не превышает 10 суток. При очень высоких дозах (>30 Гр) гибель облучения, продолжительность жизни человека колеблется от нескольких часов до 2 суток и летальный эффект обуславливается поражением центральной нервной системы (церебральный синдром).
Рис. 2. Зависимость средней продолжительности жизни обезьян (человека) от величины поглощенной дозы при тотальном однократном облучении рентгеновскими лучами.
Ось ординат – поглощенная доза, ось абсцисс - средняя продолжительность жизни облученных особей
Ведущая роль этих критических органов в гибели облученных животных, при облучении в соответствуещем интервале доз, показана на многочисленных экспериментах. Так, если экранировать участок костного мозга при тотальном облучении или пересадить смертельно облученным животным костный мозг необлученных животных, можно предотвратить или снизить количество погибших животных в при дозах до 10 Гр. Такие эксперименты проведены на различных животных и они свидетельствуют о том, что гибель особей в этом диапазоне доз обусловлен именно поражением системы кроветворения. О кишечном механизме смерти в диапазоне доз 10 - 30 Гр свидетельствуют эксперименты с локальным облучением выведенного наружу кишечника. В этом случае гибель животных наступает в такие же сроки, как и при тотальном облучении такими же дозами. При локальном облучении головы животных дозами больше 100 Гр, гибель их наступает в первые сутки и часы после облучения, сопровождаясь судорогами, что указывает на поражение центральной нервной системы.
Таким образом, при облучении животных и человека проявляется четкая зависимость степени выраженности радиационных синдромов от поглощенной дозы облучения. Характер такой зависимости обусловлен различиями, имеющимися в системах клеточного обновления соответствующих критических органов.
Устойчивое состояние динамического равновесия любой клеточной популяции в живом организме поддерживается системой клеточного обновления. Потеря любой клетки (вследствие гибели или миграции) в системе восполняется появлением новых клеток, что обеспечивает неизменность функций этой ткани или органа. Различные типы клеток характеризуются неодинаковой продолжительностью жизненного цикла, и соответственно, они различаются и по темпам обновления. В живом организме ежеминутно отмирают сотни тысяч отслуживших свой срок клеток и появляются взамен их новые клетки, которые через определенное время тоже отомрут, заменяясь другим поколением клеток. Такое устойчивое состояние динамического равновесия между гибелью клеток и появлением новых клеток является необходимым условием поддержания жизнеспособности организма. Любой взрослый, нормально функционирующий организм находится в состоянии строго сбалансированного клеточного обновления, которое имеет место в большинстве тканей и органов. Нарушение этого состояния, т.е. клеточного гомеостаза , приводит к гибели организма. Такие процессы, приводящие к нарушению клеточного гомеостаза, и происходят при действии ионизирующей радиации на животные организмы. В первую очередь, гибель млекопитающих при облучении происходит вследствие нарушения функционирования двух самообновляющихся клеточных систем – кроветворной и желудочно- кишечной. При очень высоких дозах облучения, гибель животных наступает вследствие интерфазной гибели клеток центральной нервной системы, которые у взрослых особей практически не возобновляются.
Кроветворный синдром. Красный костный мозг - типичный пример системы клеточного обновления.
Красный костный мозг характеризуется высокой радиочувствительностью и поэтому поражение системы кроветворения в той или иной степени наблюдается при облучении даже в относительно невысоких дозах. На примере красного костного мозга рассмотрим общие принципы функционирования системы клеточного обновления, которые можно экстраполировать и на другие самообновляющиеся системы клеток.
Как известно, основная функция красного костного мозга – продукция дифференцированных зрелых клеток крови – эритроцитов, лейкоцитов, лимфоцитов, тромбоцитов. Потеря любой из этих клеток в организме, восполняется образованием в костном мозге новой клетки. В системе клеточного обновления млекопитающих условно можно выделить несколько типов клеток, различающихся по степени зрелости и дифференцированности, так называемых клеточных пулов (рис. 3). Предшественниками клеток крови являются молодые недифференцированные клетки красного костного мозга – стволовые (клоногенные) клетки. Эти клетки способны постоянно делиться, и обеспечивать поступление новых клеток в кровь. Пройдя одно или несколько делений, стволовая клетка дифференцируется, созревает и превращается в какую-либо функционально активную клетку. Деление, дифференцировка, созревание различных типов клеток происходить с такой скоростью, чтобы поддерживать определенное количество тех или иных клеточных элементов в периферической крови. Скорость обновления клеток может варьировать в определенных пределах, в зависимости от физиологического состояния организма. Например, скорость обновления клеток крови повышается при воспалительных процессах.
Рис.3. Схематичное изображение системы обновления клеток крови в организме млекопитающих
Под действием ионизирующих излучений происходят резкие нарушения динамического равновесия между отдельными пулами, что приводит к тяжелым функциональным расстройствам и, в конечном счете, может привести к гибели организма. Нарушение клеточного гомеостаза при этом происходит вследствие временной задержки деления клеток, репродуктивной, и интерфазной гибели молодых недифференцированных клеток, изменения продолжительности процессов клеточного созревания, снижения времени жизни зрелых клеток. В результате этих процессов первые три пула начинают опустошаться сразу в ближайшие часы после облучения. Количество зрелых клеток начинает снижаться значительно позднее, когда естественная убыль их перестает восполняться из-за опустошения соответствующих пулов. В соответствии с правилом Бергонье –Трибондо, наиболее высокой радиочувствительностью отличаются молодые, делящиеся клетки. Так показано, что при дозе 6 – 7 Гр электромагнитного ионизирующего излучения, пролиферативную активность сохраняет всего 2-3 стволовых клеток из каждой тысячи клеток красного костного мозга. В результате облучения происходит подавление процесса образования новых клеток и опустошение пулов различных клеточных элементов в соответствии со временем их жизни.
Опустошение костного мозга начинается сразу после облучения и продолжается до некоторого минимума, после чего число клеток начинает повышаться вследствие регенерации выживших клеток. Относительное количество выживших клеток, продолжительность опустошения клеточных пулов, интенсивность регенерационных процессов зависят от дозы облучения. На рисунке 4 показана динамика изменения выживших клеток при облучении мышей при Д 37 . Как видно, при такой дозе облучения на 6-8 сутки в организме остается всего около 10 % стволовых клеток. Через 10 суток после облучения число клеток начинает увеличиваться вследствие размножения выживших клеток. На 16 сутки количество стволовых клеток составляет уже 70 % от числа стволовых клеток необлученного организма.
Рис.4. Изменение числа стволовых клеток красного костного мозга после облучения мышей при дозе равной Д 37 .
Характер изменения состава клеток в периферической крови облученного организма определяется временем жизни и радиоустойчивостью зрелых клеток крови. Численность наиболее долго живущих клеток крови- эритроцитов (время жизни более 3 месяцев) снижается очень медленно (рис. 5). Скорость уменьшения числа эритроцитов в периферической крови составляет 1 % в сутки от их общего количества (@ 25×10 7 клеток). Такая скорость уменьшения этих клеток обуславливается, в основном, естественной убылью эритроцитов из крови, так эти безьядерные клетки характеризуются относительно высокой радиоустойчивостью. Резкое уменьшение числа гранулоцитов и агронулоцитов в крови после облучения связано с высокой радиочувствительностью этих клеток. При относительно небольших дозах облучения (3-4 Зв) погибают не только молодые, слабодифференцированные клетки в костном мозге, лимфоидной ткани, селезенке, но и зрелые клетки лейкоцитов в составе периферической крови. Как видно из рисунка, через 4-5 суток после облучения, в крови определяется всего около 20 % от общего числа лейкоцитов. Особенно низкой устойчивостью к ионизирующему излучению обладают лимфоциты, а нейтрофилы (гранулоциты) характеризуются относительно высокой устойчивостью. Относительно высокая устойчивость характерна и для тромбоцитов. Экспериментальные кривые, характеризующие обновление тромбоцитов и нейтрофилов, отражают короткую продолжительность жизни этих клеток.
Рис. 5. Изменение количества клеточных элементов периферической крови после облучения мышей рентгеновским излучением в дозе равной Д 37 .
1- эритроциты; 2 – лейкоциты; 3 – тромбоциты; 4 – лимфоциты;
5 – нейтрофилы
Ось абсцисс – время после облучения, ось ординат – доля живых клеток.
Таким образом, основная причина опустошения пула зрелых клеток крови, происходящего в ранние сроки после облучения, заключается в резком торможении процессов клеточного деления в красном костном мозге, селезенке, и гибели определенной части радиочувствительных клеток в периферической крови.
При дозах облучения до 10 Гр гибель мышей наступает с в интервале 6 – 25 суток. Большая часть животных погибает на 10- 12 сутки после облучения, вследствие патологических процессов, вызванных тромбоцитопенией, гранулопенией, агронулопенией . Основными причинами гибели животных являются инфекционные и геммарогические процессы (см. лучевую болезнь). Животные, пережившие этот период, приобретают большие шансы на выживание, т.к. после этого срока функциональный пул крови начинает наполняться за счет деления выживших клеток.
Желудочно-кишечный синдром
Причиной гибели млекопитающих животных и человека, при облучении в дозах превышающих 10 Зв, является поражение желудочно-кишечного тракта. Наиболее радиочувствительным органом в системе желудочно-кишечного тракта является тонкий кишечник. После облучения наблюдается опустошение клеток ворсинок и крипт кишечника. Протекающие при этом процессы аналогичны процессам, рассмотренным выше для клеток крови и красного костного мозга, однако, с другими количественными характеристиками. Дегенеративная и регенеративная фазы у клеток кишечного тракта более кратковременны, чем у клеток крови и красного костного мозга. Стволовые клетки желудочно-кишечного тракта дифференцируются и созревают значительно быстрее, чем клетки крови. Так, если среднее время созревания для разных типов клеток крови составляет 3 – 8 суток, то для клеток желудочно-кишечного тракта - всего 42 – 55 часов. При этом стволовые клетки кишечника более устойчивы к облучению, чем стволовые клетки красного костного мозга. Среднелетальные дозы для первой группы клеток составляют D 37 = 4-6 Гр, для второй группы - D 37 = 1 Гр. В радиационном поражении эпителия кишечника значительную роль играет и интерфазная гибель клеток сразу после облучения. Поэтому опустошение клеток кишечника происходит очень быстро, у мышей, например, крипты тонкого кишечника, опустошаются за 1 – 2 сутки, ворсинки – за 3 – 4 суток. В течение этого срока наблюдается гибель большинства животных при выраженных проявлениях желудочно-кишечного синдрома. При облучении в меньших дозах, вызывающих кроветворный синдром, происходит интенсивное восстановление клеток кишечника, которое полностью заканчивается к 5-6 суткам после облучения.
Таким образом, гибель животных при дозах, вызывающих желудочно-кишечный синдром, определяется в первую очередь, опустошением ворсинок и крипт кишечника. Это приводит к нарушению функционирования пищеварительной и выделительной систем, нарушению баланса жидкостей в организме. Все эти процессы сопровождаются поражением кровеносных сосудов, кровоизлияниями и развитием инфекционных процессов. Определить, какой из этих процессов вносит наиболее существенный вклад в летальный исход животного, практически невозможно. Опыты с облучением животных в стерильных условиях свидетельствуют о важной роли инфекционных процессов в гибели животных.
Церебральный синдром
Действие ионизирующих излучений на клетки центральной нервной системы принципиально отличается от их действия на клетки красного костного мозга и кишечника. При облучении центральной нервной системы практически отсутствуют потери за счет репродуктивной гибели клеток. Как известно, нервная ткань, в основном, состоит из высокодифференцированных клеток, не способных к делению. Соответственно, нервные клетки характеризуются и высокой радиоустойчивостью. Интерфазная гибель нейронов происходит при очень высоких дозах излучения, порядка нескольких сотен Грей. Причем, неизвестно, является ли причиной гибели непосредственное повреждение нервных клеток вследствие облучения, или же гибель клеток опосредована повреждением других систем, в первую очередь, кровеснабжающих сосудов.
Таким образом, в радиобиологии человека и животных, выделяют три основных критических органа (систем), ответственных за гибель организма при однократном тотальном облучении. Однако, при других способах и условиях облучения, критическим органом может стать любой орган или любая ткань, поглотившие определенную дозу ионизирующего излучения. С этих позиций рассмотрим радиочувствительность основных органов человека.
Радиочувстительность отдельных тканей, органов человека
Кожный покров . Клетки кожи активно обновляются и поэтому покровные ткани человека очень чувствительны к действию радиации. Однако, высокая пролифирирующая активность стволовых клеток кожи обеспечивает их высокую регенеративную способность и соответственно, эпидермальные клетки хорошо восстанавливают сублетальные повреждения. Так, значение D q для этих клеток составляет около 5 Гр, тогда как для кроветворных клеток она равняется всего 0,5 Гр. При однократном облучении рентгеновским излучением кожа человека переносит без видимых симптомов поражения дозы до10 Гр. При более высоких дозах облучения возникают видимые повреждения - дерматиты и язвенные поражения кожи.
Органы зрения. Облучение органов зрения млекопитающих относительно невысокими дозами (до 3 Гр) приводит к возникновению воспалительных процессов в склере и коньюктиве. Более высокие дозы (3-10 Гр) вызывают катарактогенные процессы. Катаракта (помутнение хрусталика глаза) у человека наступает при дозах больше 6 Гр. Особенно опасны в этом отношении нейтронное облучение, эффективность которого в несколько раз выше, чем у рентгеновского и g-излучений. Помутнение хрусталика глаза при облучении является первичным диагностическим признаком для определения поглощенной дозы. Причины образования катаракты при облучении полностью не выяснены.
Пищеварительная система . Как отмечалось выше, наиболее радиочувствительным органом этой системы является тонкий кишечник. Поражение клеток тонкого кишечника, в первую очередь, и обуславливает проявление желудочно-кишечного синдрома. Остальные органы пищеварительной системы по убыванию радиочувствительности располагаются в следующем порядке: полость рта, язык, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень. Как видно, наиболее устойчивым органом пищеварительной системы является печень. Так, при однократном локальном облучении печени крыс в дозах до 15 Гр, в клетках не удается обнаружить никаких морфологических изменений. По данным ряда исследователей, значение D 0 для клеток печени крыс составляет около 90 Гр.
Сердечно-сосудистая система . Влияние ионизирующего излучения на сердечно-сосудистую систему мало изучено. Показано, что морфологические изменения в миокарде обнаруживаются при однократном рентгеновском облучении в дозах 5 - 10 Гр. При дозах 15 -20 Гр происходит образование тромбов в сосудах сердца. Кровеносные сосуды более радиочувствительны, чем мышечная ткань сердца. Даже при относительно невысоких дозах электромагнитного излучения наблюдается эритема кожи , вследствие поражения кровеносных сосудов. Показано, что кровеносные сосуды кожи при дозах 4-10 Гр теряют способность к образованию капилляров. Высокую радиочувствительность кровеносных сосудов обуславливается повреждением наружного слоя сосудистой стенки из-за изменений в структуре белка коллагена.
Органы дыхания. Легкие взрослых особей млекопитающих, в т.ч. и человека - стабильный орган с низкой пролиферативной активностью клеток. Поэтому этот орган является относительно радиоустойчивым. Так, при локальном облучении грудной клетки в относительно высоких дозах (10-20 Гр) мыши погибают через 100 -150 суток от легочных пневмонитов. LD 50/160 для мышей при однократном тотальном облучении составила 13 Гр, при 20-ти кратном фракционированном облучении этот показатель возрастает до 45 Гр. Морфологические изменения в тканях легких при облучении в дозе 20 Гр выявляются через 3 месяца после облучения. Длительность проявления радиационных повреждений обуславливается слабым клеточным обновлением в легочных тканях.
Эндокринная система. Железы внутренней секреции состоят из функциональных высокодифференцированных клеток, и соответственно, они характеризуются высокой радиорезистентностью. В то же время, способность к физиологической регенерации этих клеток очень низкая. При тотальном облучении организма, регистрируются нарушения баланса гормонов, в первую очередь, изменяется содержание гормонов щитовидной железы, надпочечников и гонад. Однако, невозможно определить, являются ли эти изменения результатом непосредственного повреждения эндокринных желез или же опосредованно отражают воздействие излучений на другие системы органов и на весь организм в целом.
Центральная нервная система. Клетки нервной системы характеризуются высокой устойчивостью к облучению. Реакции нервной системы на облучение проявляются при очень высоких дозах. Так, неврологические симптомы у крыс наблюдаются через 4-5 суток после облучения головного мозга пучком протонов (диаметр пучка 3 мм) с энергией 200 МэВ при дозе 200 Гр. При меньших дозах (10 -150 Гр) дегенеративные морфологические изменения развиваются в течение более длительного промежутка времени. При увеличении диаметра протонного пучка до 5 мм морфологические изменения в ткани мозга более выражены и проявляются быстрее. Экспериментальные факты свидетельствуют об опосредованном механизме радиационного поражения нервной системы, которая обуславливается, в первую очередь, нарушением кровоснабжения ткани вследствие повреждения кровеносных сосудов. Необходимо отметить, что функциональные изменения в центральной нервной системе, например, изменения условных рефлексов, развиваются уже при дозах 0,1 - 1 Гр, но они не определяют конечного исхода лучевого поражения организма.
Органы выделения. Количество экспериментальных данных о действии ионизирующего излучения на органы выделения очень мало. Наиболее изученными в этом отношении являются почки, которые относятся к радиорезистентным органам. В экспериментах на различных животных показано, что морфологические и функциональные изменения в них появляются только при дозах более 20 Гр. Эксперименты Т. Филлипса на мышах показали, что при локальном облучении в области почек, LD 50/180 составила 24 Гр. Через 16 месяцев этот показатель снизился до 13 Гр. При этом в канальцах и клубочках выявленются дегенеративные изменения, приводящие к почечной недостаточности. Поэтому, при лучевой терапии опухолей брюшной полости, поражение почек является лимитирующим фактором. По некоторым данным, облучение обеих почек в течение 5 недель в дозах выше 30 Гр, может вызвать необратимый хронический нефрит, приводящий к летальному исходу.
Органы размножения. Стволовые клетки, из которых образуются мужские гаметы (сперматозоиды) у млекопитающих, характеризуются крайне высокой радичувствительностью. Вследствие у большинства млекопитающих животных и человека уже при дозах 0,5-1 Гр происходит клеточное опустошение семенников. При поглощенной дозе 2-4 Гр наступает полная стерильность мужского организма. Однако, зрелые сперматозоиды, характеризуются очень высокими показателями радиоустойчивости. В опытах на мышах и крысах показано, что даже при облучении в дозах 1000 Гр, структура и подвижность сперматозоидов не изменяется и соответственно, они сохраняют способность к оплодотворению яйцеклетки. Наступающая после облучения относительно невысокими дозами стерильность самцов носит временный характер и ликвидируется по мере восстановления сперматогенеза вследствие размножения сохранившихся жизнеспособных сперматогониев.
Стерильность самок млекопитающих наступает при более высоких дозах, чем у самцов (у крыс –15-20 Гр) и как правило, она необратима. Необратимость стерилизации связано с тем, что образование женских половых клеток у млекопитющих заканчивается в ранние сроки после рождения. Как известно, у взрослого организма яичники не способны к активной регенерации. Поэтому, если при облучении погибли все потенциальные яйцеклетки, то плодовитость организма утрачивается необратимо.
Контрольные вопросы и задания.
1. Опишите схему проведения опытов с целью определения значений LD 50 при облучении рентгеновскими лучами:
б) плодовых мушек (дрозофилл)
в) дрожжевых клеток
г) вируса табачной мозаики
2. Существует закономерность: чем выше в эволюционном отношении вид, тем выше радиочувствительность особей этоговида. Это означает, что представители высокоорганизованных групп живых организмов менее радиоустойчивы, чем особи, принадлещащие к группам с более простой организацией. Как Вы объясните эту закономерность?
3. Особи одного и того же вида живых организмов характеризуются неодинаковой радиоустойчивостью. Выскажите Ваши соображения для объяснения этого факта.
4. Как Вы понимаете термин «Лучевая болезнь человека»? От каких факторов зависит проявление лучевой болезни.
5. При радиационной аварии несколько человек получили различные дозы ионизирующей радиации. Индивидуальная доза для каждого человека неизвестна. По показаниям стационарного дозиметра видно, что индивидуальная доза у разных облученных людей может составлять от 0,1 Зв до 5 Зв. Как можно определить значение этого показателя для каждого облученного через 1- 2 сутки после облучения?
6. В течение 7-10 суток после облучения человека происходит резкое снижение числа лейкоцитов и лимфоцитов в перефирической крови. В то же время, количество эритроцитов в крови изменяется незначительно. Дайте объяснение этим фактам.
7. Наиболее радиочувствительным органом у млекопитающих является красный костный мозг, наиболее радиоустойчивой – нервная ткань. Почему?
8. Какими причинами обуславливается проявление:
а) желудочно –кишечного синдрома;
б) церебрального синдрома
9. Перечислите основные ткани, органы по повышению их радиочувствительности, начиная с менее радиочувствительных.
10. Какими факторами обуславливается радичувствительность тканей, органов, систем органов, организмов?
11. Мышей облучали гамма-излучением с мощностью поглощенной дозы 1 Гр/мин в течение одного часа. В каком временном интервале погибнет большая часть облученных животных?
Лекция 9 а. Действие ионизирующих излучений на млекопитающих и человека.
Как отмечалось, радиочувствительность млекопитающих, в т.ч. и человека, определяется в первую очередь, радиочувствительностью красного костного мозга, так как именно дегенерация кроветворной системы при тотальном облучении приводит к гибели организма. Поэтому количественным критерием радиочувствительности служат эквивалентные дозы, при которых животные погибают вследствие проявления костно-мозгового синдрома. Количественные характеристики радиочувствительности животных можно получить построив кривые выживания. Для построения кривой выживания, на оси абцисс отмечают экспозиционную, поглощенную или эквивалентную дозу ионизирующего излучения. На оси ординат отмечают количество погибших животных в течение 30 суток, выраженное в процентах. Кривые выживания для млекопитающих имеют S - образную форму. Такая форма кривой выживания обуславливается тем, что гибель отдельных особей начинается при достижении определенной (минимально летальной) дозы. При достижении определенной (абсолютно летальной) дозы погибают все облученные животные (Рис. 1.). Как видно из рисунка, при облучении рентегновскими лучами, гибель мышей начинается при поглощенной дозе 4 Гр. В интервале доз 4 -6 Гр, количество погибших животных повышается незначительно.
Рис. 1. Кривая выживания мышей при тотальном рентгеновском облучении (каждая точка представлена усредненными данными для 20 животных).
Основное количество особей погибает при облучении в интервале доз 6-8 Гр. Как видно, построив кривую выживания, можно оценить дозы, вызывающие гибель определенного количества животных. Наиболее употребляемыми на практике являются значения LD 30 и LD 50 . Из рисунка видно, что имеется значительный разброс показателя выживаемости отдельных особей при облучении в одинаковых дозах. Этот факт свидетельствует о вариабельности признака индивидуальной радиочувствительности у экспериментальных животных. О значительных различиях в индивидуальной чувствительности животных свидетельствует также наличие таких критериев как LD 30 , LD 50 , т.е. определеныые дозы облучения приводят гибели 30, 50 % облученных особей. Необходимо отметить, что индивидуальные различия в радиоустойчивости наблюдаются не только у представителей одного вида, но и у животных одной чистой линии, где особи характеризуются идентичным генотипом.
Выживание (гибель) млекопитающих в исследуемом интервале доз определяется, в первую очередь, количеством неповрежденных стволовых клеток, ответственных за обновление клеток крови.
Радиочувствительность животных зависит также и от половых, возрастных различий особей. Как правило, самки млекопитающих более устойчивы к облучению, чем мужские особи. На рис. 2. приведены данные об изменении значений LD 50 у мышей в течение жизни. Как видно, радиочувствительность животных в первые недели после рождения высокая, по мере роста и развития мышей она снижается. Наиболее радиоустойчивы взрослые половозрелые мыши в возрасте 40 - 70 недель. Затем радиоустойчивость особей снижается и к концу жизни этот показатель достигает уровня новорожденных животных.
Рис. 2. Изменения радиочувствительности мышей одной линии в зависимости от их возраста.
Таким образом, степень устойчивости животных к ионизирующему излучению сильно колеблется в пределах одного вида, и радиочувствительность определяется многими факторами (возраст, пол, физиологическое состояние организма в момент и после облучения). Поглощение млекопитающими доз излучения до 10 Гр, вызывает появление многообразных симптомов лучевой болезни. Проявления симптомов лучевой болезни экспериментально изучено на представителях различных видов млекопитающих (мыши, крысы, собаки, овцы, козы, лошади, обезьяны).
Лучевая болезнь человека. Формы проявления лучевой болезни
Сведения о лучевой болезни человека появились после 1945 года. Наблюдения за уцелевшими жителями городов Хиросима и Нагасаки позволили получить первые данные о клинических проявлениях радиационного поражения людей. В дальнейшем проявление лучевой болезни было описано многократно у людей, получивших радиационное облучение при различных обстоятельствах. Многие случаи заболеваний людей после облучения, связаны с авариями на АЭС, на атомных подводных лодках, при облучении с медицинским целями. При облучении определенном интервале доз (1- 6 Зв), в организме возникает определенный комплекс изменений, который приводит к болезни и может вызвать его гибель человека. Этот комплекс изменений в организме, вызванный поражающим действием ионизирующего излучения, называют лучевой болезнью . Лучевая болезнь может проявлятся в многообразных формах. Формы проявления болезни человека зависят от следующих факторов: от вида ионизирующего излучения (электромагнитное или корпускулярное с различными коэффициентами качества), от способа получения облучения (общее или местное, равномерное или неравномерное, внешнее или внутреннее), от длительности облучения (однократное, многократное, пролонгированное, хроническое). Учитывая вышеперечисленные факторы, определенный комплекс клинических проявлений лучевого поражения человека, можно условно отнести к одному из нижеперичисленных трех форм:
а) острая лучевая болезнь при относительно равномерном облучении
б) острые лучевые поражения при неравномерном облучении
в) хроническая лучевая болезнь
Острая лучевая болезнь при относительно равномерном облучении
По степени тяжести проявления острая лучевая болезнь подразделяется на 4 категории: слабая, средняя, тяжелая, крайне тяжелая. В большинстве случаев, клинические проявления болезни обнаруживаются при поглощенных дозах рентгеновского и g-излучения более 1 Гр (Д экв > 1 Зв). При меньших дозах клинические проявления могут отсутствовать или быстро проходят. При прогнозировании степени тяжести лучевой болезни следует ориентироваться на следующие приме
Клетки имеют разное строение и выполняют различные функции (например, нервные, мышечные, костные и т.д.). Чтобы понять механизмы , определяющие естественную радиочувствительность организма (без чего невозможно правильно оценить последствия облучения человека), необходимо последовательно рассмотреть клеточные и тканевые аспекты радиочувствительности , так как клетка - основная биологическая единица,в которой реализуется воздействие поглощенной при облучении энергии , что в последующем приводит к развитию лучевого поражения. Среди многих проявлений жизнедеятельности клетки наиболее чувствительна в отношении ионизирующего излучения ее способность к делению. Под клеточной гибелью (или летальным эффектом) понимают утрату клеткой способности к пролиферации, а выжившими считают клетки, сохранившие способность к неограниченному размножению.
В зависимости от связи летального эффекта с процессом деления различают две основные формы радиационной гибели клеток: интерфазную (до деления клетки или без него) и репродуктивную (после первого или нескольких последующих циклов деления). Для большинства клеток, в том числе и для клеток многих млекопитающих, характерна репродуктивная форма лучевой гибели, основной причиной которой являются структурные повреждения хромосом, возникающие в процессе облучения. Они обнаруживаются с помощью цитогенетических методов исследования на разных стадиях митоза (чаще в анафазе или метафазе) в виде так называемые хромосомных перестроек, или аберраций. Гибель таких аберрантных клеток или их потомков происходит вследствие неравномерного разделения или частичной утраты жизненно необходимого генетического материала из-за неправильного соединения разорванных хромосом или отрыва их фрагментов. Определение доли клеток с хромосомными аберрациями часто используют в качестве надежного количественного показателя радиочувствительности, т.к. с одной стороны, число таких поврежденных клеток четко зависит от дозы ионизирующего излучения, а с другой - отражая его летальное действие.
Группы клеток образуют ткани, из которых состоят органы и системы (пищеварительная, нервная, кровеносная системы, железы внутренней секреции и т.д.).
Ткань – это не просто сумма клеток, это уже система, имеющая свои функции. Она имеет свою систему саморегуляции и, установлено, что клетки ткани, которые активно делятся, более подвержены действию радиации. Поэтому мышцы, мозг, соединительные ткани у взрослых организмов достаточно устойчивы к воздействию радиации. Клетки же костного мозга, зародышевые клетки, клетки слизистой оболочки кишечника являются наиболее уязвимыми. Так как наибольшее деление клеток происходит в растущем организме, воздействие радиации на детский организм особенно опасно. Влияние облучения на плод может привести к рождению неполноценного потомства, причем самый опасный период – 8-15-я недели беременности, когда происходит закладка органов будущего человека.
У взрослого организма наиболее уязвимым является красный костный мозг, вырабатывающий клетки крови, которые сами не делятся и быстро «изнашиваются». Поэтому организм нуждается в постоянном их обновлении. Вырабатываемые красным костным мозгом лейкоциты (белые кровяные тельца) выполняют функцию защиты организма от попавших в него возбудителей инфекционных заболеваний (иммунная защита). В результате нарушения созревания клеток костного мозга резко снижается содержание лейкоцитов в крови, что приводит к снижению сопротивляемости организма к различным инфекциям. Весьма чувствительными являются клетки половых желез напомним, что если для всего организма в целом при однократном равномерном облучении коэффициент риска принять за единицу, то для половых желез (яичников, семенников) он равен 0,25, а для красного костного мозга – 0,12. Яичники взрослых женщин содержат большое число незаменяемых яйцеклеток, находящихся на разных стадиях развития. Поэтому облучение, приводящее к фактической или репродуктивной гибели яйцеклеток, может вызвать стойкое бесплодие. Облучение мужчин дозой 2,5 Гр вызывает стерильность в течение двух-трех лет, а после облучения дозой 4-6 Гр наступает постоянная стерильность. У женщин высокой радиационной чувствительностью обладают также молочные железы (коэффициент риска при однократном равномерном облучении равен 0,15).
В системе органов пищеварения при одноразовом равномерном облучении наиболее радиочувствительной является печень, затем идут в порядке убывания радиочувствительности поджелудочная железа, кишечник, желудок, пищевод, слюнные железы, язык, полость рта. Относительно высокой радиочувствительностью обладают также клетки волосяных фолликулов. После облучения дозой 3-4 Гр волосы начинают редеть и выпадать в течение 1-3 недель. Затем рост волос может возобновиться. Однако при облучении дозой порядка 7 Гр происходит полная потеря волос.
Следует отметить, что значительная часть радионуклидов попадает внутрь организма с вдыхаемым воздухом, пищей и водой. При этом наибольшие дозы внутреннего облучения получают органы систем дыхания и пищеварения, а также те органы, в которых накапливаются попавшие внутрь организма радионуклиды.
Так, например, клетки щитовидной железы высокоспециализированы и медленно делятся. Коэффициент радиационного риска для щитовидной железы при одноразовом равномерном внешнем облучении невелик – 0,03. Однако при попадании внутрь организма радиоизотопов йода они накапливаются в щитовидной железе в неограниченном количестве, что резко повышает эффективную эквивалентную дозу облучения этого органа. Щитовидная железа является одним из органов эндокринной системы – важнейшей регуляторной системы организма. При вдыхании частиц, содержащих радионуклиды, область их осаждения в дыхательных путях и легких, время удержания на участках осаждения и продолжительность пребывания на путях удаления определяют эффективную тканевую дозу. Растворимые радионуклиды попадают в кровь и разносятся по всему организму. Большинство типов клеток, составляющих структуру легких, относительно устойчивы к непродолжительному облучению, тем не менее, легкие как орган, обладающий тонкой структурой, характеризуется значительной радиочуствительностью на тканевом уровне. Всасывание радионуклидов в желудочно-кишечном тракте в большой степени зависит от вхождения их в состав различных соединений. Например, всасывание из желудочно-кишечного тракта органически связанного плутония в 25 раз больше, чем всасывания нитрата плутония. При этом 90% поступившего плутония накапливается в скелете, что приводит к значительному внутреннему облучению красного костного мозга.
При воздействии разных доз облучения могут наблюдаться следующие радиационные эффекты:
соматические (нестохастические). Это непосредственные телесные повреждения организма, возникающие вскоре после воздействия облучения; соматико-стохастические эффекты. Это последствия, которые выявляются на больших группах людей в более отдаленные периоды после облучения;
генетические эффекты. Они проявляются в виде возникновения хромосомных аберраций, доминантных генных мутаций.
Большая часть лучевых поражений возникает спустя длительный срок после острого однократного или хронического облучения. Они являются так называемыми отдаленными эффектами облучения в отличие от непосредственных эффектов, к которым относят острую лучевую болезнь и сопутствующий ей симптомокомплекс. Указанные отдаленные эффекты зависят от дозы; с возрастанием дозы растет тяжесть поражения. Помимо названных эффектов, в отдаленном периоде могут возникать еще два вида, которые называют стохастическими (т.е. вероятностными, случайностями): соматические (телесные) эффекты – злокачественные опухоли и генетические эффекты – врожденные уродства и нарушения, передающиеся по наследству. В основе обоих указанных видов стохастических эффектов лежат генерирующиеся излучением мутации и другие нарушения в клеточных структурах, ведающих наследственностью: в первом случае (соматические заболевания) – рак – в неполовых соматических клетках разных органов и тканей, во втором (в половых клетках яичников и семенников) – генетические изменения.
Закономерности поражения целостного организма определяются двумя факторами:
1) радиочувствительностью тканей, органов и систем, существенных для выживания организма;
2) величиной поглощенной дозы облучения и ее распределением в пространстве и времени.
Каждый в отдельности и в сочетании друг с другом эти факторы определяют преимущественный тип лучевых реакций (местные или общие), специфику и время проявления (непосредственно после облучения, вскоре после облучения или в отдаленные сроки) и их значимость для организма .
Следует иметь в виду, что при переходе от изолированной клетки к ткани, к органу и организму все явления усложняются. Эго происходит потому, что не все клетки поражаются в равной степени, а тканевой эффект не равен сумме клеточных эффектов: ткани, а тем более органы и системы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток. Находясь в составе ткани, клетки в значительной степени зависимы и друг от друга, и от окружающей среды. Митотическая активность, степень дифференцированности, уровень и особенности метаболизма, а также другие физиологические параметры отдельных клеток не безразличны для их непосредственных «соседей», а, следовательно, и для всей популяции в целом. Общеизвестно, например, что заживление раны происходит вследствие временного ускорения размножения оставшихся клеток, обеспечивающего рост ткани и замещение вызванных травмой тканевых утрат, после чего тип клеточного деления нормализуется.
Кроме того, на тканевую радиочувствительность оказывают большое влияние и другие факторы: степень кровоснабжения, величина облучаемого объема и др. Таким образом, радиочувствительность ткани нельзя рассматривать только с позиций составляющих ее клеток без учета морфофизиологических факторов. Например, эритробласты изменяют свою радиочувствительность в зависимости от места их нахождения в организме - в селезенке или костном мозге. Все это усложняет оценку радиочувствительности тканей, органов и целого организма, но не отвергает принципиального и ведущего значения цитокинетических параметров, определяющих тип и выраженность лучевых реакций на всех уровнях биологической организации.
Самый типичный пример радиационного поражения организма животных и человека - острая лучевая болезнь , возникающая после равномерного тотального однократного внешнего облучения. В этом случае одновременно подвергаются радиационному воздействию все системы, органы, ткани и клетки в одинаковой дозе. Наилучшее понимание основных проявлений лучевого поражения организма может быть достигнуто сопоставлением их с поглощенной дозой в «критических органах».
Под критическими органами понимают жизненно важные органы или системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз облучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения.
Таким образом, между величиной поглощенной дозы в организме и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость , определяемая различиями в радиочувствительности отдельных жизненно важных (критических) систем.
При общем облучении организма в зависимости от эквивалентной поглощенной дозы может преобладать один из синдромов, связанных с критическими системами: 1) костномозговой (кроветворный), 2) желудочно-кишечный, 3) церебральный. Они развиваются вследствие необратимого поражения соответствующих критических систем организма – системы кроветворения, желудочно-кишечного тракта или центральной нервной системы.
Костномозговой (кроветворный) синдром связан с повреждением стволовых клеток красного костного мозга. Это является смертельным для организма. Зрелые клетки крови не делятся, характеризуются специализированными функциями, быстро изнашиваются, а поэтому должны постоянно заменяться новыми. Поражение костного мозга приводит к падению количества разных типов клеток в крови. Сокращение числа клеток периферической крови обусловливает симптомы, предшествующие гибели организма: уменьшение количества крови, кровотечения, инфекции. Сокращение числа эритроцитов (красных кровяных телец), а соответственно, и понижение гемоглобина в крови приводит к анемии (малокровию). Уменьшение числа тромбоцитов, участвующих в процессе свертывания крови, приводит к возникновению кровотечений, что усиливает анемию. Уменьшение числа лейкоцитов (белых кровяных телец) приводит к снижению сопротивляемости организма различным болезням.
Желудочно-кишечный синдром связан с повреждением слоя клеток, выстилающих внутреннюю стенку тонкой кишки, которое приводит к проникновению в организм инфекции из кишечника за счет кишечной флоры и возникновению инфекционных заболеваний. Внутренняя, всасывающая поверхность кишечника имеет ворсинки, направленные в просвет кишечника. У основания этих ворсинок находятся быстроделящиеся клетки. Нарушение процесса обновления этих клеток и приводит к желудочно-кишечному синдрому, признаками которого являются боли в желудочно-кишечном тракте, потеря аппетита, тошнота, рвота, понос, изъязвление слизистой оболочки рта и зева, вялость, инертность. Все это происходит на фоне костномозгового синдрома.
Церебральный синдром связан с нарушениями центральной нервной системы. В центральной нервной системе в отличие от костного мозга и кишечника клетки достаточно устойчивы к воздействию радиации, так как зрелая нервная ткань состоит из высокоспециализированных клеток, которые в течение жизни не замещаются. Воздействие радиационных излучений приводит к функциональным нарушениям на тканевом уровне. Признаки церебрального синдрома – головные боли, полное безразличие ко всему окружающему, нарушение сознания (возможна временная потеря его), судороги. Эти симптомы связаны с повреждением головного мозга.
Состояние устойчивого динамического равновесия любой клеточной популяции в живом организме, необходимое для нормальной жизнедеятельности, поддерживается системами обновления клеток; любая потеря клеток (вследствие их гибели или миграции) в системе количественно восполняется возникновением новых клеток, что обеспечивает неизменность функции. Клетки каждого типа имеют свою характерную для них продолжительность жизненного цикла и соответственно различаются темпом обновления.
Таким образом, взрослый организм постоянно находится в состоянии строго сбалансированного клеточного самообновления , происходящего непрерывно в ряде его жизненно важных систем.
Ежеминутно в каждой из них отмирают десятки и сотни тысяч «отслуживших» клеточных элементов, заменяясь новыми, заведомо готовыми «пожертвовать» собой через строго определенный срок - и так до конца жизни организма. Такое устойчивое равновесие в системах клеточного самообновления, являющееся необходимым условием надежности поддержания жизнеспособности организма, получило название клеточного гомеостаза