Биологическое действие ионизирующих излучений. Радиочувствительность.

Лучевая болезнь.

Под лучевой болезнью человека понимают самые разнообразные проявления поражающего действия ионизирующих излучений на организм. Многообразие этих проявлений зависит от следующих факторов:

• вид облучения (общее или местное);

• временной фактор (однократное, повторное, длительное, хроническое);

• пространственный фактор (равномерное или неравномерное);

• облучаемый объем и его локализация.

Типичным случаем является острая лучевая болезнь (ОЛБ), возникающая в результате однократного общего относительно равномерного облучения.

В зависимости от дозы и времени облучения наблюдаются три степени заболевания: острая, подострая и хроническая. В очагах поражения (при получении высоких доз) возникает, как правило, острая лучевая болезнь (ОЛБ).

Различают четыре степени ОЛБ:

-лёгкая (1-2 Гр). Начальный период - первичная реакция как и при ОЛБ всех других степеней - характеризуется приступами тошноты. Появляются головная боль, рвота, общее недомогание, незначительное повышение температуры тела, в большинстве случаев - анорексия (отсутствие аппетита, вплоть до отвращения к пище), возможны инфекционные осложнения. Первичная реакция возникает через 15 - 20 минут после облучения. Её проявления постепенно исчезают через несколько часов или суток, а могут вообще отсутствовать. Затем наступает скрытый период, так называемый период мнимого благополучия, продолжительность которого обусловливается дозой облучения и общим состоянием организма (до 20 суток). За это время эритроциты исчерпывают свой срок жизни, переставая подавать кислород клеткам организма. ОЛБ лёгкой степени излечима. Возможны негативные последствия - лейкоцитоз крови, покраснения кожи, снижение работоспособности у 25% поражённых через 1,5 - 2 часа после облучения. Наблюдается высокое содержание гемоглобина в крови в течение 1 года с момента облучения. Сроки выздоровления - до трёх месяцев. Большое значение при этом имеют личностная установка и социальная мотивация пострадавшего, а также его рациональное трудоустройство;

- средняя (2-4 Гр). Короткие приступы тошноты, проходящие через 2-3 дня после облучения. Скрытый период - 10-15 суток (может отсутствовать), в течение которого лейкоциты, вырабатываемые лимфатическими узлами, погибают и прекращают отторгать попадающую в организм инфекцию. Тромбоциты перестают свёртывать кровь. Всё это - результат того, что убитые радиацией костный мозг, лимфатические узлы и селезёнка не вырабатывают новые эритроциты, лейкоциты и тромбоциты на смену отработавшим. Развиваются отёк кожи, пузыри. Такое состояние организма, получившее название «костномозговой синдром», приводит 20% поражённых к смерти, которая наступает в результате поражения тканей кроветворных органов. Лечение заключается в изоляции больных от внешней среды, введении антибиотиков и переливании крови. Молодые и пожилые мужчины более подвержены заболеванию ОЛБ средней степени, нежели мужчины среднего возраста и женщины. Потеря трудоспособности наступает у 80% поражённых через 0,5 -1 час после облучения и после выздоровления долгое время остаётся сниженной. Возможно развитие катаракты глаз и местных дефектов конечностей;

-тяжёлая (4-6 Гр). Симптомы, характерные для кишечно-желудочного расстройства: слабость, сонливость, потеря аппетита, тошнота, рвота, длительный понос. Скрытый период может длиться 1-5 суток. Через несколько дней возникают признаки обезвоживания организма: потеря массы тела, истощение и полное обессиливание. Эти явления - результат отмирания ворсинок стенок кишечника, всасывающих питательные вещества из поступающей пищи. Их клетки под воздействием радиации стерилизуются и теряют способность делиться. Возникают очаги прободения стенок желудка, и бактерии поступают из кишечника в кровоток. Появляются первичные радиационные язвы, гнойная инфекция от радиационных ожогов. Потеря трудоспособности через 0,5-1 час после облучения наблюдается у 100% пострадавших. У 70% поражённых смерть наступает через месяц от обезвоживания организма и отравления желудка (желудочно-кишечный синдром), а также от радиационных ожогов при гамма облучении;

- крайне тяжёлая (более 6 Гр). В считанные минуты после облучения возникают сильная тошнота и рвота. Понос - 4-6 раз в сутки, в первые 24 часа - нарушение сознания, отёк кожи, сильные головные боли. Данные симптомы сопровождаются дезориентацией, потерей координации движений, затруднением глотания, расстройством стула, судорожными припадками и в конечном итоге наступает смерть. Непосредственная причина смерти - увеличение количества жидкости в головном мозге вследствие её выхода из мелких сосудов, что приводит к повышению внутричерепного давления. Такое состояние получило название «синдром нарушения центральной нервной системы».

Необходимо отметить, что поглощённая доза, вызывающая поражение отдельных частей организма и смерть, превышает смертельную дозу для всего тела. Смертельные дозы для отдельных частей тела следующие: голова - 20 Гр, нижняя часть живота - 30 Гр, верхняя часть живота - 50 Гр, грудная клетка - 100 Гр, конечности - 200 Гр.

Достигнутый на сегодня уровень эффектности лечения ОЛБ считается предельным, так как основан на пассивной стратегии - надежде на самостоятельное выздоровление клеток в радиочувствительных тканях (главным образом костном мозге и лимфатических узлах), на поддержку других систем организма, переливание тромбоцитной массы для предотвращения кровоизлияния, эритроцитарной -для предотвращения кислородного голодания. После этого остаётся только ждать, когда заработают все системы клеточного обновления и ликвидируют гибельные последствия радиационного облучения. Исход болезни определяется к концу 2-3 месяца. При этом могут наступить: полное клиническое выздоровление пострадавшего; выздоровление, при котором его трудоспособность в той или иной мере будет ограниченной; неблагоприятный исход с прогрессированием заболевания или развитием осложнений, приводящих к смерти.

 

В течении ОЛБ различают четыре периода:

1) первичная реакция на облучение;

2) формирование болезни;

3) восстановление после болезни;

4) последствия облучения.

При ОЛБ III степени наиболее страдающей системой организма является система кроветворения. Период формирования ОЛБ III степени можно разделить на четыре фазы.

Фаза первичной общей реакции. Первичная реакция появляется в первые минуты—часы после облучения, и во всех случаях при дозах > 2 Гр. Она характеризуется тошнотой, рвотой (особенно после приема жидкости), исчезновением аппетита. Иногда ощущаются сухость и горечь во рту. Появляются чувство тяжести в голове, общая слабость, сонливость.

Фаза кажущегося клинического благополучия. Через 2—4 дня симптомы первичной реакции исчезают и самочувствие больных улучшается или даже нормализуется. Из клинических признаков этой фазы отмечаются выпадение волос (если доза превышает определенный порог) и изменения в крови. Продолжительность фазы зависит от тяжести поражения и колеблется у человека от 14 до 32 дней.

Фаза выраженных клинических проявлений. К концу латентного периода самочувствие больных вновь резко ухудшается, повышается температура, нарастает СОЭ. Возникает так называемый геморрагический синдром, выражающийся кровоизлияниями в кожу, слизистые оболочки, ЖКТ, мозг, сердце, легкие. Основную угрозу для жизни в этот период составляют кровотечения в жизненно важных органах и возникновение инфекционных осложнений вследствие уменьшения числа лейкоцитов.

Фаза непосредственного восстановления. Начало фазы характеризуется нормализацией температуры, улучшением самочувствия, появлением аппетита, восстановлением сна. Прекращается кровоточивость, быстро увеличивается масса тела. Морфологический состав крови приближается к норме (через 2—3 мес). Продолжительность фазы составляет 1—2 мес, к концу 3-го месяца самочувствие становится вполне удовлетворительным, однако облысение продолжается. Рост волос возобновляется к 4-му месяцу; через 4—6 мес нормализуется воспроизводительная способность.

При местном воздействии ионизирующей радиации в зависимости от дозы облучения возникают различные изменения, начиная от явлений преходящих расстройств кровообращения вплоть до развития радиационных ожогов и некрозов. После внешнего равномерного облучения организма в зависимости от дозы полученного воздействия возникают поражения от едва уловимых общих реакций до острых форм лучевой болезни.

Кишечная форма острой лучевой болезни возникает при облучении подопытных животных в сверхсмертельных дозах (1000—2000 Р). Смерть животных наступает на 3— 5—е сутки после облучения. На вскрытии можно видеть гибель основной массы кишечного эпителия и оголение (денудацию) ворсинок, их уплощение и даже полную деструкцию.

У человека в случае облучения в сверхсмертельных дозах смерть наступает на 7—10-е сутки. Для этой формы лучевой болезни характерны интенсивная рвота, в дальнейшем — кровавый понос, повышение температуры тела, явления сепсиса, типичные для лучевого поражения изменения крови.

Для токсемической формы характерны тяжелые гемодинамические нарушения, парез сосудов и распад тканей, общая интоксикация, олигурия, гиперазотемия. Смерть наступает на 4—7-е сутки.

Церебральная форма острой лучевой болезни возникает при облучении очень, большими дозами — выше 8000 Р. Смертельный исход при этом может произойти даже в ходе самого облучения или через несколько минут (или часов) после воздействия — так называемая «смерть под лучом».

Эта форма радиационного поражения характеризуется судорожно-паралитическим синдромом, нарушением сосудистого тонуса (понижение артериального давления) и терморегуляции, возникающим в момент облучения либо в первые часы после него. Несколько позднее появляются функциональные нарушения пищеварительной и мочевыделительной системы.

Причиной смерти при церебральной форме острой лучевой болезни является гибель клеток коры головного мозга и нейронов ядер гипоталамуса. В поражении нервной системы главное значение имеет непосредственное повреждающее действие ионизирующей радиации на ткани. По-видимому, существенную роль играют и образующиеся в тканях радиотоксины.

 

Биологическое действие ионизирующих излучений. Радиочувствительность.

Процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом в живых организмах приводят к специфическому биологическому действию, завершающемуся повреждением организма. В процессе этого повреждающего действия условно можно выделить три этапа:

1. первичное действие ионизирующего излучения;

2. влияние радиации на клетки;

3. действие радиации на целый организм.

Первичным актом этого действия является возбуждение и ионизация молекул, в результате чего возникают свободные радикалы (прямое действие излучения) или начинается химическое превращение (радиолиз) воды, продукты которого (радикал ОН, перекись водорода — Н₂О₂ и др.) вступают в химическую реакцию с молекулами биологической системы.

Ионизацию молекул («мишеней») принято называть прямым действием радиации. Даже при летальной дозе ~ 10 Гр только ничтожная доля ~ 5 10^-8 от общего числа атомов и молекул, образующих клетку организма человека, оказывается затронутой процессом ионизации. Его результатом является изменение ДНК и других макромолекул, а также образование нескольких высокореакционных продуктов из молекул воды, составляющей основной компонент клетки. Это первый, но не единственный механизм, вызывающий биологические эффекты.

Первичные процессы ионизации не вызывают больших нарушений в живых тканях. Поражающее действие ионизирующих излучений связано с повреждением биологически важных макромолекул. В клетке такими молекулами в первую очередь являются нуклеиновые кислоты, дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), а также линейные полимеры, состоящие из нуклеотидов, содержащих аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил. Они хранят биологическую информацию, передают ее потомству и реализуют информацию, записанную в ДНК, при биосинтезе белков.

Физическая суть этого этапа заключается в выбивании электронов из молекул воды и образовании так называемых молекулярных ионов, несущих положительный или отрицательный заряд:

H₂O → H₂O⁺ +e^-

H₂O + +e^- → H₂O^-

Молекулярные ионы воды нестойкие и распадаются с образованием ионов и радикалов: H⁺, OH, H, OH^-. Считается, что основной эффект лучевого воздействия обусловлен радикалами H, OH, и HO₂. Радикал HO₂, обладающий высокой окислительной способностью, образуется в процессе облучения воды в присутствии кислорода: H + O₂ → HO₂. Организм человека состоит на 75 % из воды, следовательно именно косвенное воздействие будет иметь определяющее воздействие.

Продукты радиолиза воды реагируют как между собой, так и с макромолекулами клетки, приводя к разрушению последних. Этот путь лучевого поражения жизненно важных структур клетки носит в радиобиологии название косвенного механизма действия излучения. Основное повреждение макромолекулам клетки наносят теперь свободные радикалы — продукты радиолиза. Свободный радикал — это молекула или ее часть, имеющая неспаренный электрон (свободную валентность).

Выделение энергии ионизирующих излучений в ключевых структурах, в первую очередь в ДНК, т.е. прямое действие излучений, ответственно, только за 10 — 20% лучевого поражения. Косвенное действие радиации, при котором поражение критических структур осуществляется продуктами радиолиза окружающей их воды, ответственно за 80 — 90 % лучевого поражения.

То, что косвенное действие радиации ответственно за большую часть повреждений биомолекул, открывает возможность усиливать или ослаблять действие радиации с помощью химических модификаторов. Продукты радиолиза, в первую очередь свободные радикалы, характеризуются чрезвычайно высокой реакционной способностью и время их существования составляет от одной секунды до 10^-10 с. За это время радикалы или освобождаются от неспаренного электрона, передавая его другой молекуле, или отнимают у нее электрон для образования пары и превращения тем самым радикала в «стабильную» молекулу. При этом наряду с реализацией повреждения может произойти и восстановление исходного состояния.

Вероятность поражения тех или иных молекул в клетке определяется их размером: чем крупнее молекула, тем больше вероятность попадания в нее. Поэтому в качестве основной мишени радиационного поражения клетки обычно рассматривается ДНК.

На клеточном уровне радиационные нарушения ДНК проявляются в сроки от нескольких часов до многих лет после воздействия. Наиболее быстро проявляется радиационная задержка клеточного деления. Она была обнаружена вскоре после открытия рентгеновских лучей и это послужило основанием к применению ионизирующих излучений для подавления роста опухолей.

Таким образом, в основе радиационного поражения клетки лежит нарушение ультраструктур клеточных органелл и связанные с этим изменения обмена веществ. Кроме того, ионизирующая радиация вызывает образование в тканях организма целого комплекса токсических продуктов, усиливающих лучевой эффект — так называемых радиотоксинов. Среди них наибольшей активностью обладают продукты окисления липидов— перекиси, эпоксиды, альдегиды и кетоны. Образуясь тотчас после облучения, липидные радиотоксины стимулируют образование других биологически активных веществ — хинонов, холина, гистамина и вызывают усиленный распад белков. Будучи введенными необлученным животным, липидные радиотоксины оказывают действие, напоминающее лучевое поражение. Ионизирующее излучение оказывает наибольшее воздействие на ядро клетки, угнетая митотическую активность.

Ионизирующее излучение действует на клетки тем сильнее, чем они моложе и чем менее дифференцированны. На основании морфологических признаков поражаемое органы и ткани распределяются в следующем нисходящем порядке: лимфоидные органы (лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, лимфоидная ткань других органов), костный мозг, семенники, яичники, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта. Еще меньше поражаются кожа с придатками, хрящи, кости, эндотелий сосудов. Высокой радиоустойчивостью обладают паренхиматозные органы: печень, надпочечники, почки, слюнные железы, легкие.

Повреждающее действие ионизирующего излучения на клетки при достаточно высоких дозах завершается их гибелью. Гибель клетки в основном обусловлена подавлением митотической активности и необратимым нарушением хромосомного аппарата клетки, но возможна и интерфазная гибель (вне периода митоза) из-за нарушения метаболизма клетки и интоксикации упомянутыми радиотоксинами. В результате происходит опустошение тканей из-за того, что не восполняется естественная убыль клеток за счет образования новых.

Гибель клеток и опустошение тканей играют важную роль в развитии общих поражений организма от ионизирующего излучения — лучевой болезни.

Биологические ткани обладают природной способностью к регенерации, «залечиванию» радиационно-индуцированных повреждений, причем в достаточно большом диапазоне интенсивности воздействия, учитывая вариабельность природного радиационного фона. Более того, радиация необходима для нормальной жизни организмов, отсутствие радиационного воздействия приводит к подавлению жизненных сил и стагнации организмов. И более того, существуют научные данные, свидетельствующие о положительном эффекте облучения дозами, которые значительно выше природного уровня (радиационный гормезис). Опасность возникает тогда, когда организм «не успевает» справляться с возникающими разрушениями, то есть при высокой интенсивности радиационного воздействия (как и в случае воздействия любого другого фактора - жары, холода, травмирования, патогенной микрофлоры, нерационального питания и проч.).

 

Также можно выделить временные рамки воздействия ионизирующих излучений:

Физическая стадия: поглощение энергии излучения в актах ионизации и возбуждения атомов и молекул. На физической стадии, которая продолжается в течение -10^-13c, энергия излучения передается веществу в актах ионизации и возбуждения атомов и молекул клеточного субстрата. Установлено, что при дозе 10 Гр в клетке из 10¹⁴ молекул возбуждаются и ионизируются ~10⁶-10⁷. Поскольку вода - основной компонент живых клеток, существенную роль играет радиолиз молекул воды с образованием свободных радикалов Н и ОН^•, обладающих высокой химической активностью по отношению к органическим молекулам. Радиация также непосредственно действует на молекулы растворенного вещества, вызывая расщепление молекул белка, нуклеиновых кислот и других соединений в клетке.

Физико-химическая стадия (10^-10с) при которой первичные повреждения молекул, образование свободных радикалов - атомов или фрагментов молекул с неспаренными электронами на внешней оболочке, обладающие чрезвычайно высокой реакционной способностью. На второй стадии происходят реакции первичных продуктов радиолиза с кислородом и органическими молекулами, образуются перекисные соединения, окисляются молекулы белка, появляются токсические вещества и другие вторичные продукты.

Химическая стадия (10^-6 с) характеризует взаимодействие первичных продуктов радиолиза с ненарушенными молекулами низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений.

Биологическая стадия длится от 1 с до многих лет; происходят нарушения биологической организации на субклеточном и клеточном уровнях (изменение структуры биологических мембран, изменение активности и функций ферментов, нарушение обмена веществ, появление хромосомных аберраций); нарушения на уровне тканей и органов; нарушения соматические и генетические на уровне облученного организма и (или) последующих поколений. При больших дозах ионизирующего излучения нарушения в метаболизме и биоструктурах клетки могут быть настолько значительными, что клетка погибает. Изменения на клеточном уровне, гибель клеток приводят к нарушениям функций и жизнедеятельности других клеток, тканей, отдельных органов и организма в целом.

Поглощение энергии излучения на первой стадии радиобиологического процесса как бы «зажигает» цепную реакцию физико-химических и биологических изменений в организме. Очевидно, что чем больше поглощенная доза излучения, тем больше радиобиологический эффект.

Величина конкретного радиобиологического эффекта зависит не только от поглощенной дозы, но и от мощности дозы, вида и энергии излучения, размеров облучаемой поверхности, относительной радиочувствительности облучаемых органов и тканей, индивидуальных особенностей живого организма и других факторов.

Радиочувствительность является кардинальным понятием, когда мы анализируем последствия действия ионизирующих излучений на био- и экосистемы. Разные клетки, ткани, органы или организмы характеризуются своей восприимчивостью к воздействию или, как часто говорят, своей видовой радиочувствительностью. В пределах одного вида радиочувствительность разных популяций может сильно различаться. Что касается, например, человека, то индивидуальная радиочувствительность зависит от его возраста, пола, физического состояния.

Даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочувствительности. Наряду с радиочувствительными (кроветворная система, эпителий слизистой оболочки тонкого кишечника) имеются радиоустойчивые ткани (мышечная, нервная, костная), которые принято называть радиорезистентными. В то же время, деление тканей на радиочувствительные и радиорезистентные весьма условно, так как зависит от избранного критерия. Так, например, ткани, относящиеся к радиорезистентным по непосредственным лучевым реакциям, могут оказаться весьма радиочувствительными по отдаленным последствиям.

Проблема радиочувствительности занимает центральное место в радиобиологии и радиоэкологии.

Наиболее низкой радиочувствительностью (высокой радиорезистентностью) обладают бактерии Micrococcus radiodurens (микрококк радиорезистентный), обнаруженные в канале ядерного реактора, где поглощенная доза за 1 сут составляла ~ 10⁶ Гр. В этих условиях бактерии не только не погибали, но и продолжали размножаться.

Поскольку радиочувствительность является чрезвычайно важным свойством биосистем, то не удивительно, что к проблеме изменения ее в нужном для человека направлении было всегда приковано внимание ученых. Наиболее активно проблема модификации радиочувствительности начала развиваться после 1945 г. в связи с интенсивными испытаниями ядерного оружия, когда возникла реальная угроза возникновения массовых лучевых поражений человека. Внимание ученых в тот период времени было привлечено к поиску средств противолучевой защиты. Затем общим направлением исследований стало ослабление или усиление радиочувствительности в зависимости от поставленной задачи. Были развиты такие методы, как изменение выхода первичных радиационно-химических реакций, дезактивация свободных радикалов и других активных продуктов радиолиза, активация или ингибирование репарационных процессов и т.д. Модификацию радиобиологических эффектов стали осуществлять на разных уровнях организации клетки, вторгаясь в разные этапы формирования лучевого поражения.

Еще в 1909 г. Г. Шварц обнаружил явление усиления лучевого поражения организмов в присутствии кислорода (при повышении его концентрации) по сравнению с поражением при облучении в условиях гипоксии или аноксии. В настоящее время кислородным эффектом принято называть явление зависимости тяжести лучевого поражения от содержания кислорода в окружающей клетки среде — усиление при повышении концентрации и уменьшение при ее снижении.

Кислород является наиболее значимым, но не единственным модификатором радиочувствительности. В настоящее время в арсенале ученых имеются различные модификаторы лучевого поражения (радиомодификаторы), различающиеся по своей физической и химической природе.