Непрямое действие ионизирующих излучений на молекулы

При облучении растворов молекул, наряду инактивацией макромолекул за счет прямого попадания на них квантов или частиц, имеет место и инактивация молекул в результате косвенного действия радиации. Косвенное действие обуславливается, в первую очередь, взаимодействием растворенных молекул с продуктами радиационного распада молекул растворителя. В этом случае макромолекулы испытывают дополнительное воздействие и эффективность их поражения значительно выше, чем в сухих препаратах. На рисунке 5 показана радиочувствительность лиофилизированного препарата РНК-азы и молекул в водном растворе. Как видно, растворение фермента приводит к повышению его радиочувствительности в сотни раз. Так, D₃₇ для сухого препарата составляет 420 кГр, а в растворе этот показатель равняется всего лишь 4 кГр, т.е. радиоустойчивость молекул в водном растворе снижается более чем в 100 раз по сравнению с лиофилизированными молекулами. Снижение радиоустойчивости в десятки и сотни раз при растворении молекул экспериментально показано для многих представителей белков, НК. Выявлено, что причина снижения устойчивости в водных растворах связана не с изменением физико-химических свойств макромолекул в результате растворения, а с появлением в облученном растворе дополнительных поражающих факторов, в первую очередь, продуктов радиационного распада (радиолиза) воды. Рассмотрим тот процесс более подробно.

Радиолиз воды

Под термином «радиолиз воды» понимают разложение молекул воды при действии ионизирующей радиации с образованием ионов и свободных радикалов. Подсчитано, что основная часть ( до 90 %) косвенного действия облучения на живые клетки обуславливается взаимодействием макромолекул с продуктами радиолиза воды.

Первый акт ионизации молекулы воды заключается в выбивании электрона с электронной оболочки с образованием катиона воды

H₂O ® H₂O* ® H₂O⁺ + e^-

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой:

H₂O⁺ + H₂O ® H₃O⁺ + ОН^

Свободный электрон также взаимодействует с нейтральной молекулой воды:

e^- + H₂O ® H₂O^- ® Н^ + ОН^

Н^ , ОН^ - свободные радикалы водорода и гидрооксила. Свободными радикалами называют ионы с неспаренными электронами. Они характеризуются коротким временем жизни (t =10^-5 с) и высокой реакционной способностью. В растворах свободные радикалы реагируют с растворенными молекулами или рекомбинируют друг другом практически мгновенно. Если в облучаемом растворе присутствует кислород, образуются и другие продукты радиолиза, обладающие высокими окислительными свойствами:

Н^ + О₂ ® НО₂^

НО₂^ -радикалы (гидропероксдные радикалы) могут рекомбинировать друг с другом с образованием перекиси водорода и свободного кислорода:

НО₂^+ НО₂^ ® Н₂ О₂ + 2О

Кроме этих продуктов в процессе радиолиза возникает электроны в стабилизированном виде - гидратированные электроны ( e^-_aq). Эти частицы характеризуются высокой восстановительной способностью и легко реагируют с различными молекулами. Еще одним хорошим восстановителем является атомарный водород, появляющийся при рекомбинации свободных радикалов водорода.

Действие ионизирующих излучений на клетки

Любой радиобиологический эффект, проявляющийся на уровне органа и целого организма, возникает на клеточном уровне. Экспериментально показано, что облучение может повреждать все внутриклеточные структуры. Реакции на облучение на клеточном уровне могут проявляться в разнообразной форме: от незначительного повреждения отдельной структуры клетки до полной деградации и лизиса клетки. Степень выраженности клеточных реакций на облучение зависит, в большей степени, от количества поглощенной энергии (дозы ионизирующего излучения), в меньшей степени, от генетической конституции и физиологического состояния клетки. Как известно, жизнь клетки между двумя последовательными делениями (от деления до деления) называют интерфазой. Условно интерфаза подразделяется на три периода: синтетический или S-период, в течение которого происходит синтез (удвоение) ДНК, предсинтетический G₁- период и постсинтетический G₂ –период. Митоз (деление соматических клеток) обозначают символом М. Продолжительность различных периодов клеточного цикла у разных клеток неодинакова. В малообновляющихся тканях млекопитающих (например, в нервной ткани) большинство клеток находится в G₁- периоде в течение длительного промежутка времени, от нескольких месяцев до нескольких десятков лет. Тогда как клетки регенерирующих тканей, например, клетки крипт кишечного эпителия человека делятся в среднем через каждые 20 часов (G₁-период занимает 10 ч, S-период - 8 ч, G₂ -период и митоз - 2 ч).

Часть лучевых повреждений могут легко переноситься клеткой, так как они являются повреждениями множественных структур, утрата которых быстро восстанавливается. Легко переносимые и быстро восстанавливающиеся повреждения клетки, проявляются в виде физиологических или кумулятивных эффектов (реакций). К таким повреждениям относятся, например, нарушения структуры отдельных макромолекул, отдельных органоидов, незначительные нарушения в структуре плазмалеммы. Такие структурные изменения могут выхзвать нарушения отдельных стадий метаболизма клетки, например, инактивацию ферментов, нарушения окислительного фосфорилирования в митохондриях, нарушения обмена белков, НК, углеводов и т. д. Как правило, эти реакции проявляются сразу после облучения и с течением определенного промежутка времени исчезают. Наиболее универсальной физиологической хорошо изученной реакцией клетки на облучение является временная задержка процесса клеточного деления (радиационное блокирование митоза). Суть ее состоит в том, что интерфазная клетка, облученная в определенной дозе, не начинает делиться в ожидаемый момент, а приступает к делению через определенный промежуток времени. Эта реакция является универсальной, т.е. проявляется у различных типов клеток всех живых организмов. Задержка клеточного деления хорошо изучена и в количественном отношении на клетках различных групп живых организмов. Выраженность и продолжительность времени задержки клеточного деления зависит от дозы ионизирующего излучения, от типа клетки и от того, на какой стадии клеточного цикла произошло облучение. Наибольший эффект наблюдается при облучении клеток находящихся в S-периоде и G₂ –периоде. Судьба облученных клеток после задержки деления может быть различной, она также зависит от величины поглощенной дозы. Большая часть облученных клеток после задержки деления проходит митоз и делится. Часть из них после этого гибнет, еще больше клеток гибнут после второго, третьего и последующих делений. Часть облученных клеток и их потомков, вступив в митоз, не способны разделиться. В результате возникают так называемые гигантские клетки, по своим размерам в десятки и сотни раз больше нормальных клеток.

Длительность задержки клеточного деления зависит от поглощенной дозы излучения: чем выше доза, тем больше время задержки деления. В результате проведения многочисленных экспериментов установлено, что для большинства изученных типов клеток, время задержки деления составляет примерно 1 час на каждый 1 Зиверт эквивалентной дозы. Таким образом, универсальность этой реакции клеток на облучение проявляется и в количественном отношении. Необходимо отметить, что с увеличением дозы излучения возрастает не доля прореагировавших клеток, а продолжительность времени задержки деления каждой клетки. В этом состоит принципиальное различие физиологических эффектов облучения от летальных поражений клеток. Продолжительность задержки клеточного деления зависит и от стадии клеточного цикла, на которой находилась облученная клетка. Наиболее длительно время задержки при облучении клеток в S-периоде и G₂ –периоде, самое короткое – при облучении в митозе. Большинство клеток, вступивших в митоз, даже при облучении очень высокими дозами, заканчивают деление без задержки.

Задержку клеточного деления на определенное время необходимо отличать от полного подавления митозов при высоких дозах облучения, когда клетка в течение значительного промежутка времени продолжает функционировать, но необратимо утрачивает способность к делению. Интервал доз, в котором происходит временная задержка деления клеток, зависит радиочувствительности организма и от типа облучаемых клеток. Так, для большинства типов делящихся клеток млекопитающих этот интервал находится в пределах от 0 до 10 Зв.

Летальные реакции клеток. Формы клеточной гибели при облучении.

В радиобиологии принято различать две формы гибели клеток: репродуктивную и интерфазную гибель. Под репродуктивной гибелью подразумевается утрата клеткой способности к неограниченному размножению (пролиферации), т.е. к образованию клона. Репродуктивная гибель клеток заключается в необратимой потере способности к делению, облученными клетками или их потомками. Репродуктивная гибель клеток имеет место при относительно невысоких дозах облучения. Этот радиобиологический эффект хорошо изучен количественными методами на различных типах клеток. Репродуктивная гибель делящихся клеток происходит не сразу после облучения, а постепенно, в процессе нескольких циклов деления. Так показано, что при облучении культуры фибробластов мышей в дозе 4 Гр, около 80 % клеток заканчивали 1 деление, а второе и третье деление завершали только 30 % начавшихся делиться клеток. Репродуктивная гибель клеток проявляется в образовании гигантских клеток в результате слияния нескольких клеток или при длительной задержке цитокинеза.

Вторая форма радиационной гибели клеток - интерфазная гибель - наступает при облучении клеток высокими дозами радиации. Интерфазная гибель клетки обуславливается появлением в ее структуре значительных нарушений, после которых она теряет способность к функционированию как живая система. При очень высоких поглощенных дозах ( сотни и тысячи Грей) гибель клеток наступает мгновенно или вскоре после облучения. В диапазоне небольших доз ( до 10 Гр для клеток млекопитающих) гибель клеток наступает в первые часы после облучения. Интерфазную гибель клеток можно зарегистрировать цитологическими методами: на препаратах облученных клеток хорошо видны различные дегенеративные изменения в структуре (лизис ядра, разрывы мембран, хромосомные аберрации ). У мертвых клеток изменяются биохимические и физиологические параметры: теряется избирательная проницаемость плазмалеммы, активируются гидролитические ферменты, подавляется процесс клеточного дыхания. Одним из универсальных показателей интерфазной гибели клеток является окрашиваемость цитоаплазмы клеток различными красителями. Окрашивание цитоплазмы связано с потерей избирательной проницаемости клеточной мембраны, и неспособностью мертвой клетки удалять из цитоплазмы красители. При анализе облученной популяции клеток, можно руководствоваться следующей закономерностью: чем выше поглощенная доза и радиочувствительность клеток, тем выше вероятность интерфазной гибели этих клеток.

Действие ионизирующих излучений на живые организмы.

Биологическая эффективность ионизирующих излучений чрезвычайно высока. По эффективности воздействия на живые системы ионизирующая радиация превосходит все виды физических воздействий, в т.ч. все известные виды излучений. На Земле нет ни одного организма, которого нельзя было бы убить действием ионизирующего излучения, и нет какой-либо биологической функции, которая не подавлялась бы в результате действия радиации. В то же время, результаты многочисленных экспериментов показывают, что различные организмы обладают неодинаковой устойчивостью (чувствительностью) к действию ионизирующих излучений.

Наиболее интегральными показателями для выражения радиочувствительности живых организмов является поглощенная или эквивалентная дозы ионизирующего излучения, при которой погибает 100 % или 50 % особей облученной популяции. Соответственно, эти дозы получили название летальной (LD₁₀₀) или полулетальной ( LD₅₀ ) дозы. Оценку выживаемости облученных организмов проводят через промежуток времени после облучения, соотносимый со временем жизни этих организмов. При определении радиоустойчивости живых объектов необходимо также учитывать и время, необходимое для проявления патологических симптомов радиационного облучения. Так, при определении радиочувствительности млекопитающих, подсчет выживших особей производят через 30 суток после облучения. За это время у выживших животных заканчивается острый период лучевой болезни, и они начинают выздоравливать. В этом случае, в символ для обозначения летальной и полулетальной доз ставят индекс, выражающий количество суток после облучения, например, LD_100/30. Для определения выживаемости микроорганизмов подбирают такой временной интервал, который необходим для образования колоний клеток определенного размера. О выживаемости вирусов после облучения судят по их способности размножаться в клетках.

Исследования радиоустойчивости представителей различных видов живых организмов позволили выявить следующую закономерность: чем выше в эволюционном отношении вид, тем выше радиочувствительность особей - представителей этого вида. В таблице 1 приведены значения поглощенной дозы рентгеновского излучения, приводящих к гибели представителей различных филогенетических групп живых организмов. Как видно, наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений одноклеточные организмы. Радиоустойчивость млекопитающих животных в сотни и тысячи раз меньше, чем устойчивость одноклеточных.

Таблица 1.

Интервалы летальных доз рентгеновского излучения для живых организмов - представителей различных филогенетических групп

Группа организмов	Интервал летальной поглощенной дозы (LD100))
Одноклеточные (прокариоты, эукариоты)	10-105 Гр
Беспозвоночные	10-104 Гр
Позвоночные	0,5 – 100 Гр
Млекопитающие	0,1 -10 Гр

В таблице 2 приведены данные о радиоустойчивости представителей различных групп организмов, при общем однократном облучении гамма-лучами. Как видно, наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений вирусы и прокариотические микроорганизмы: летальные дозы для представителей этих групп находятся в пределах от 100 – 100000 Зв. Наименьшим показателем радиоустойчивостью характеризуются представители млекопитающих: LD₁₀₀ для них не превышает 10 Зв. Как видно, по мере усложнения организации живых систем, их устойчивость к радиации снижается. Необходимо отметить, что существенные различия в радиоустойчивости определяются и между представителями одной группы организмов: внутри одного отряда, семейства, рода. Более того, различной радиочувствительностью характеризуются и особи одного и того же вида. Как видно из таблицы 2 , значения полулетальной дозы - излучения для человека изменяются в пределах 2,5 – 4,0 Зв, для представителей различных обезьян этот интервал доз составляет 3,0 – 5,5 Зв.

Таблица 2

Значения полулетальной дозы (поглощенной) для представителей различных групп организмов при общем однократном тотальном облучении - излучением

Объекты	LD50, Зв	Объекты	LD50, Зв
1. Вирусы Полиомы Табачной мозаики	7000 4500	10. Насекомые дрозофила (имаго) куколка личинка	950 20-650 100-250
2.Бактерии Micrococcus radiodurans Basillus mesenterius Echerechia coli	7500 1500 50 -100	11. Позвоночные Змеи Черепахи Тритоны лягушки	80-200 15-20 25-30 5-10
3. Простейшие Амеба Инфузории	1000-2000 3000-7000	Птицы Рыбы	10-30 5-20
4.Водоросли Хлорококк Хлорелла	1000 180	Млекопитающие Суслик Мышь-полевка Крыса Коза Обезьяна Собака Свинья	0,1 - 8,5 3,5- 8,5 5,5-8,0 4,5 – 7,0 3,0 –5,5 3,0 –5,5 2,5 – 4,0 2,5 – 3,5 2,5 – 4,0
5.Растения	10-1500
6. Кишечнополостные	50-2500
7.Моллюски	100-200
8. Членистоногие	50 –1000
9. Нематоды	50-100
		Человек

Имеющиеся значительные различия в чувствительности живых систем к действию радиации невозможно объяснить какими-либо физическими и химическими особенностями структуры организмов, и соответственно, особенностями поглощения ими энергии ионизирующего излучения. Как известно, эффективность поглощения энергии излучения определяется электронной плотностью поглотителя. Электронная плотность всех живых систем одинакова, так как они в основном ( на 98 %) состоят из одних и тех же химических элементов (C, H, O, N, P, S). Следовательно, индивидуальная радиочувствительность отдельных особей и различия в радиочувствительности между представителями разных групп организмов определяются биологической специфичностью облучаемых объектов. Как известно, каждая особь обладает особенностями в структурной и функциональной организации, в протекании метаболических процессов, адаптивных и репарационных возможностей. Существует множество экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что генетически детерминированные различия в радиоустойчивости организмов проявляются в особенностях обмена веществ, в неодинаковом содержании различных продуктов обмена в тканях и органах. Однако, удовлетворительной теории, объясняющей неодинаковую радиочувствительность организмов на биохимическом и физиологическом уровнях, пока не существует.

Радиочувствительность тканей, органов млекопитающих и человека. 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.

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. 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 многими животными. Такой 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. Таким образом, при дозах 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.

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 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.

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 LД₃₇. 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.

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. 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.

Лекция 6. РЭ 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. 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 LD₃₀ и LD₅₀. 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 LD₃₀, LD₅₀, т.е. определенные 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.

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 провялятся 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 -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 примерные значения эквивалентной дозы: 1-2 Зв - первая (слабая) степени тяжести; 4 - 2 Зв - вторая (средняя) степень тяжести; 4 -6 Зв - третья (тяжелая) степень тяжести; более 6 Зв – четвертая (крайне тяжелая) степень тяжести. При тотальном однократном облучении в интервале доз 6 -10 Зв смерть наступает вследствие поражения кроветворной и желудочно-кишечной системы. При облучении такими дозами в отдельных случаях существует вероятность выживания человека возможно только при специальном лечении.

При облучении интервале доз 10 - 20 Зв возникает типичная форма желудочно- кишечного поражения. Смерть облученного человека наступает в течение 8-16 суток, выживание невозможно ни при каких условиях. При облучении в дозах 20 - 80 Зв смерть человека наступает через 4 - 7 суток вследствие поражения кровеносных сосудов, в т.ч. и сосудов мозга.

Облучение дозами свыше 80 Зв приводит к церебральной форме поражения вследствие дегенерации центральной нервной системы. Облученный человек погибает в течение 1 - 2 суток вследствие паралича всех систем и органов.

Острая лучевая болезнь протекает волнообразно. Различают три периода протекания болезни: формирования, восстановления, исходов и последствий. В свою очередь, период формирования четко можно разделить на 4 фазы: первичной острой реакции, латентная и кажущегося клинического благополучия, выраженных клинических симптомов (разгар болезни), раннего восстановления.

Фаза первичной острой реакции

Первичные реакции организма на высокие дозы ионизирующих излучений появляются в течение первых минут или часов после облучения. У облученного человека появляется тошнота, рвота, диспепсия, исчезает аппетит. Человек может ощущать тяжесть в голове, головную боль, общую слабость, сонливость. Эти симптомы проявляются во всех случаях, когда эквивалентная доза превышает 2 Зв. Продолжительность ощущений зависит от поглощенной дозы: чем она выше, тем быстрее проявляются эти реакции, тем они более выражены и более продолжительны. Проявление острых первичных реакций может продолжаться от 1 до 3 суток. Наиболее диагностическое значение для установления полученной дозы и степени тяжести болезни имеет время появления тошноты и рвоты, диспептического синдрома. Развитие шокоподобного состояния, потеря сознания, резкое падение артериального давления, интенсивный диспептический синдром, субфибрильная температура тела, свидетельствуют о поглощении человеком очень высокой, смертельной дозы ( 10 Зв). На облученных участках кожи в этом случае могут появляться покраснения по типу солнечных ожогов. Количественные изменения в клеточных популяциях костного мозга удается обнаружить только через 2-3 сутки после облучения. Обнаруживается уменьшение количества молодых клеток, снижение митотического индекса ткани. Цитологические методы позволяют обнаружить изменения в структуре клеток ( абберации хромосом, разрывы плазмаллеммы) уже в первые часы после облучения. В течение первых суток после облучения определяются и изменения биохимических параметров в периферической крови. Эти изменения заключаются в повышении активности гидролитических ферментов (протеиназ, амилаз, липаз), повышение уровня сахарозы, билирубина, снижение концентрации электролитов, в первую очередь, концентрции NaCl и KCl.

Фаза кажущегося благополучия (латентная фаза)

Через 2 –4 суток после облучения все болезненные ощущения и симптомы болезни исчезают, и самочувствие облученного человека как будто бы нормализуются. Из-за отсутствия внешних клинических признаков эта фаза называется скрытой. В зависимости от тяжести болезни, такое состояние больного может продолжаться от 14 до 32 суток. В этот период начинается выпадение волос, появляются различные неврологические симптомы. При облучении дозами выше 10 Зв латентная фаза болезни отсутствует.

Мнимость благополучия облученного человека в этот период легко выявляется проведением биохимического и цитологического анализов крови. В перифиреческой крови обнаруживается лимфопения и слабая тромбоцитопения. У мужчин в этой фазе болезни регистрируется подавление сперматогенеза, у женщин- овогенеза.

Фаза выраженных клинических реакций (разгар болезни)

На 15 – 35 сутки после облучения самочувствие больных резко ухудшается, нарастает слабость, повышается температура тела. Происходит снижение массы тела больного человека ( до 40 %). В этот период проявляются различные нарушения основных физиологических процессов, обеспечивающих гомеостаз организма. Наиболее опасными для жизни являются кровотечения вследствие нарушения и структуры кровеносных сосудов и снижения свертываемости крови, на фоне продолжающейся тромобоцитопении (геммарогический синдром). Кровотечения и инфекционные осложнения являются основной причиной гибели больных в эту фазу. Клетки крови в этот период представлены в основном эритроцитами и лимфоцитами. В конце фазы начинает проявляться и анемия. В плазме крови обнаруживается повышенное содержание белков и пептидов.

При интенсивном лечении, продолжительность фазы составляет 1 – 3 недели. В случае благоприятного исхода болезнь переходит в четвертую фазу.

Фаза раннего восстановления

Начало этой фазы характеризуется восстановлением нормальной температуры тела, улучшением самочувствия, появлением аппетита, восстановлением сна больного. Постепенно исчезают геммарогические явления, начинается повышение массы тела. Происходит постепенное восстановление биохимических и цитологических показателей крови, связанное с регенеративными процессами в кроветворных органах. Однако, в начале этой фазы число эритроцитов в крови продолжает снижаться и этот показатель нормализуется только к концу фазы. Продолжительность фазы восстановления составляет 2 – 3 месяца. К концу этого периода самочувствие больного в основном нормализуется. Продолжается выпадение волос, и их рост частично восстанавливается только через 6 – 10 месяцев после облучения. Генеративная способность мужчин также восстанавливается не ранее 6 -7 месяцев после облучения. Генеративная функция женщин, если она нарушена облучением, не восстанавливаются.

Таким образом, фаза раннего восстановления завершается нормализацией основных жизнеобеспечивающих функций организма и переходит в период исходов и последствий лучевой болезни. Этот период может продолжаться несколько лет и он характеризуется проявлением различных, в том числе и отдаленных последствий облучения.

Анализ случаев лучевой болезни у человека и эксперименты на млекопитающих показывают, что острая лучевая болезнь при однократном тотальном облучении проявляется, в первую очередь, вследствие поражения системы кроветворения. Критическим органом в этом случае является кроветворная система. Механизмы проявления лучевой болезни в экспериментальных условиях изучены на животных, и их можно экстраполировать и на человеческий организм. Однако, несмотря на принципиальное сходство поражения млекопитающих животных и человека, протекание лучевой болезни у людей имеет свои особенности. Ни у одного вида экспериментальных животных не удалось смоделировать острую лучевую болезнь, в точности совпадающую по показателям с проявлением таковой у человека.

Острые лучевые поражения при неравномерном облучении

Рассмотренный выше вид лучевой болезни человека при относительно равномерном внешнем облучении встречается довольно редко. В основном этот вариант болезни изучен на модельных опытах с лабораторными животными. В большинстве случаев при облучении человека возникают различные типы неравномерного облучения. Неравномерность облучения человека (поглощение неодинаковых доз различными участками организма) обуславливается различными факторами: типом излучения (электромагнитное, заряженные частицы, нейтроны), мощностью экспозиционной дозы излучения, положением облучаемого объекта к источнику излучения, продолжительностью облучения и т.д. Можно выделить два крайние формы неравномерного облучения человека. Общее неравномерное облучение тела, которое происходить вследствие неодинакового распределения энергии излучения по глубине тканей. Неравномерность облучения в этом случае определяется проникающей способностью ионизирующей радиации. Например, при внешнем - облучении, наибольшее поражение испытывает кожа и подкожные ткани. Внутренние органы при этом практически не облучаются. Наоборот, внутреннее облучение, вызванное инкорпорированными - нуклидами, вызовет поражение, в первую очередь, желудочно-кишечного тракта. Кожный покров при таком облучении не испытает никакого поражающего действия ионизирующего излучения.

Вторая крайняя форма неравномерного облучения – это локальное (местное) облучение. Локальное облучение имеет место при экранировании или при прицельном облучении определенных участков организма. Локальное облучение человек может получить при медицинских процедурах. Например, при стоматологической рентгенографии облучается лицевая часть головы, при флюорографии – грудная клетка. Между двумя крайними формами неравномерного облучения встречаются различные их сочетания. Соответственно, клинические симптомы, возникающие при поражении, также многообразны. Как отмечалось выше, при однократном равномерном тотальном облучении гибель человека вызывается поражением трех основных критических органов: красного косного мозга, желудочно-кишечного тракта, нервной системы. Однако, при неравномерном облучении тела, критическим органом могут оказаться и другие органы и ткани. Например, при внешнем облучении излучениями с малой проникающей способностью (-частицы, -излучение, длинноволновые рентгеновские лучи) критическим органом может оказаться кожный покров. В этом случае, исход поражения организма определяется размером облученной площади, и степенью ожогов. В литературе имеются много примеров неравномерного локального облучения человека большими дозами ( 10 – 5000 Гр). При этом критическими органом оказывались различные органы и ткани: кожа, мышцы, сердце, легкие и другие внутренние органы, нервная ткань. Гибель облученных людей происходило от перитонита, остановки сердца, сепсиса, общего расстройства гемодинамики. Смерть людей наступала раньше, чем проявлялись нарушения в кроветворении или же независимо от этих нарушений.

Таким образом, для определения типа и степени поражения ионизирующим излучениями необходимо знать положение пострадавшего к источнику излучения, количественные и качественные характеристики поля излучения, продолжительность облучения. Чем точнее будут определены эти факторы, тем правильнее будет прогнозирование формы поражения облученного и, следовательно, правильно будет определена тактика его лечения.

На примере пострадавших при аварии на Чернобыльской АЭС, рассмотрим, как могут различаться степень поражения и лечение людей, находившихся на месте аварии одинаковое время. Теоретически эти люди должны были бы получить одинаковую дозу ионизирующего излучения, и степень поражения их должна была бы быть схожей.

В момент аварии находились на станции и получили облучение ( в основном, -излучение) 350 человек. Эти люди были осмотрены в течение 12-36 часов после аварии и 291 человек были направлены в клиники с прогнозированием у них острой лучевой болезни. Ниже приведены данные о 129 больных, направленных в клиники г. Москвы. Основными критериями при первичной диагностике для определения поглощенной дозы и тяжести болезни были: наличие, время появления и интенсивность тошноты и рвоты, интенсивность эритемы кожи и слизистой ткани, снижение числа лимфоцитов в периферической крови. По проявлению этих признаков в течение первых двух суток после облучения ставился диагноз лучевой болезни. Как оказалось, первичный диагноз по этим критериям характеризуется высокой специфичностью. Предварительный диагноз лучевой болезни впоследствии подтвердился у 80 % облученных людей. Для более точной оценки поглощенной дозы и степени тяжести болезни был использованы методы определения количества лимфоцитов в периферической крови. Определяли также количество аберраций хромосом в культуре клеток лимфоцитов и в культуре клеток костного мозга. Измерение этих показателей позволили разделить пострадавших на 4 группы по степени проявления костно-мозгового синдрома, обусловленного внешним  -излучением. В группу больных с первой степенью тяжести болезни (0,8 – 2 Гр) попали 31 человек, во вторую - (2,0 – 4 Гр) – 3 человека. Группу больных с третьей степенью тяжести (4,1- 6 Гр) составляли 21 человек, с четвертой степенью тяжести (6 –16 Гр) – 20 человек. Была выделена группа больных (41 человек), получивших дозу облучения меньше 1 Гр.

Особое внимание было уделено раннему выявлению больных с необратимой депрессией красного костного мозга, требовавшего неотложного решения о трансплантации этой ткани. Принадлежность к этой группе устанавливали по следующим признакам: наличие рвоты в течение 30 минут, наличие диспептического синдрома в течение 2-х часов, увеличение околоушных желез в течение 36 часов после облучения. В течение первых трех месяцев умерли все 20 больных из четвертой группы и 7 человек из третьей группы. Один больной из второй группы умер на 96 сутки после облучения от ишемического инсульта.

Особенность поражения при этой аварии заключалось в проявлении лучевых ожогов поверхности тела, вызванных интенсивным -излучением. В этом случае наблюдалось неравномерное распределение энергии по глубине тканей, когда поглощенная кожей доза в 10-20 раз превышала такую дозу в глубоко расположенных тканях, в частности, в красном костном мозге. Радиационные ожоги у некоторых больных достигали до 100 % всей поверхности тела. По крайней мере, в 2/3 случаев гибели, критическим органом являлась кожа и смерть людей наступила именно от радиационного поражения кожи.

Хроническая лучевая болезнь

Хроническая лучевая болезнь развивается в результате длительного облучения при малой мощности дозы облучения. Симптомы этой болезни появляются после накопления суммарной дозы 0,7 – 1 Зв, при облучении с малыми мощностями дозы. Эта форма лучевой болезни характеризуется определенной фазностью течения и особенности проявления болезни связаны с неравномерностью распределения энергии облучения в организме. Хроническая лучевая болезнь, возникшая в результате внешнего облучения, характеризуется вовлечением многих органов и систем. Клинические синдромы болезни проявляются с определенной периодичностью, связанной с динамикой облучения. Особенность проявления этой болезни заключается в том, что хроническое облучение приводит к поражению в основном, стабильных тканей и органов, содержащих высокоспециализированные дифференцированные клетки. При хроническом облучении возникают структурные и функциональные изменения в медленно обновляющихся клетках и тканях, аккумуляция этих изменений приводит к нарушению нормального функционирования органа или системы. Хроническая лучевая болезнь проявляется в нарушении работы нервной, эндокринной, сердечно- сосудистой систем, изменений в опорно- двигательной системе. Наоборот, активно пролиферирующие ткани при облучении дозами небольшой мощности успевают восстанавливать свои морфологические и функциональные показатели вследствие интенсивного клеточного обновления.

В случае длительного облучения определенного участка организма при внешнем или внутреннем облучении, пороговые дозы значительно выше, чем при общем однократном облучении. Клиническая картина болезни в этом случае определяется локализацией облучения и радиочувствительностью облученной ткани. Например, при хроническом поступлении в организм радиоактивного йода ¹³¹I происходит накопление его в щитовидной железе, что приводит к локальному облучению этой железы и нарушению его функционирования. Хроническое попадание в организм радиоактивного фосфора ³⁵Р приводит накоплению этого изотопа в эритроцитах, что вызывает анемию. При накоплении ²²⁶Ra в костной ткани развиваются разные формы остеосарком. Длительная ингаляция радиоактивных газов вызывает развитие раковых заболеваний в бронхах, в легких. Хроническое поступление радионуклидов с пищей и с водой может привести к злокачественным заболеваниям пищеварительной и выделительной систем.

В большинстве случаев, хроническая лучевая болезнь людей возникает в результате нарушения ими правил и норм работы с источниками ионизирующей радиации. Поэтому основным условием профилактики этой болезни является строгое соблюдение техники безопасности работы с радионуклидами и другими источниками ионизирующих излучений.

Радиация и рак

Сведения о том, что ионизирующая радиация обладает канцерогенным действием, появились вскоре после открытия радиоактивности. До сих пор именно это действие облучения вызывает наибольшие опасения у людей. Однако следует признать, что многие аспекты данной проблемы остаются до сих пор недостаточно выясненными или неправильно истолкованными.

Прежде всего следует иметь в виду, что злокачественные опухоли радиационного происхождения и возникшие от других причин (физической, химической или биологической природы) совершенно одинаковы по проявлению, а поэтому факта наличия радиационного воздействия недостаточно, чтобы утверждать, что любой случай заболевания раком в этих условиях вызван именно радиацией (за исключением некоторых очень редких разновидностей рака, например, миеловидной лейкемии, для которой установлена причинная связь с ионизирующим излучением).

По некоторым оценкам, если факторы окружающей среды ответственны примерно за 80%, то природный радиационный фон – приблизительно за 0,7% всех случаев заболевания раком. Смертность от всех видов рака составляет в развитых странах около 20%, по среднемировым данным – 15 (±3)%, с ежегодным приростом до 1,5%. Таким образом, канцерогенное действие радиации проявляется на неизмеримо более высоком фоне действия других, обычных причин. Выявление радиогенного рака от малых доз облучения (менее 0,2– 0,5 Зв) оказывается совершенно невозможным из-за статистических ограничений: для получения статистически достоверных данных требуются наблюдения над очень большими выборками, в сотни тысяч и даже в миллионы человек в каждой группе.

Иллюстрацией этого могут быть расчеты Кулландера и Ларссо-на (1991) для Швеции, которая подверглась заметному радионуклидному загрязнению во время чернобыльской аварии. На начало 1990-х гг. статистика заболеваемости раком в Швеции составляла 25 000–30 000 случаев в год, а от аварии на Чернобыльской АЭС по расчетам ожидаются дополнительно 4 случая в год. Вероятность заболевания раком за всю жизнь здесь равняется 30 % (34% – в крупных городах, 29% - в менее густонаселенных районах), и доза в 1 мЗв (ожидаемая средняя доза облучения, обусловленная чернобыльской аварией) увеличит вероятность заболевания раком до 30,002%, а при дозе в 10 мЗв (в наиболее загрязненных районах) -до 30,02%. Ясно, что проверить это невозможно.

Вероятное повышение частоты онкологических заболеваний чернобыльского происхождения у нас в стране также оказалось намного меньше среднегодовых колебаний заболеваемости по областям чернобыльской зоны (к тому же на фоне ежегодного прироста спонтанной заболеваемости, который наблюдался здесь и в соседних регионах и ранее, до 1986 г.).

Вероятность канцерогенного, как и мутагенного, действия радиации на человека можно попробовать рассчитать исходя из коэффициентов риска, которые предоставляют Научный комитет ООН по действию атомной радиации (НКДАР) и Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ). Однако нужно иметь в виду, что коэффициенты риска даны этими организациями условно, исходя из беспороговой линейной концепции, т. е. на основании представления о линейности соотношения дозы и эффекта, а это, как было показано выше, в общем неверно. Только в силу малой изученности действия радиации в диапазоне малых доз допускается использование этих коэффициентов риска как рабочих для ориентировочных расчетов необходимости тех или иных защитных мер (отдавая себе отчет в том, что результаты расчета значительно завышают риск). Совершенно необоснованными являются довольно частые попытки, по сути дилетантские, использовать эти условные коэффициенты для прогноза числа дополнительных смертей от рака в целом на большой регион (например, на всю Чернобыльскую зону).

При выяснении причины возникновения ракового заболевания важно также иметь в виду, что оно не может развиться вскоре после облучения. Во всех экспериментальных исследованиях по лучевому канцерогенезу у животных (как, впрочем, и при действии не только радиации, но и других канцерогенных агентов) появлению злокачественного новообразования всегда предшествовал довольно значительный латентный период. То же замечено и в наблюдениях над людьми. Так, частота появления случаев рака щитовидной железы у детей в чернобыльской зоне после 1986 г. стала заметно превышать прежний уровень только после 1990 г. Этот вид медицинских эффектов стал позднее основным следствием чернобыльской катастрофы у населения.

Вероятность мутации, которая может привести к злокачественной трансформации клетки, очень низка (~10^-18 ), и при общей численности клеток в организме человека порядка 10¹⁴ получается, что отмеченное выше событие переходит из разряда вероятных в реальные при ~10⁴ случаев ионизации или возбуждения в отдельной клетке. Канцерогенез – это последовательность ряда стадий развития процесса, включающая стадии инициации, промоции, прогрессии, метастазирования. Согласно Р. Петрову, в организме человека присутствует 10⁶ инициированных клеток, но к летальному исходу приводит только одна такая клетка в среднем на 4–5 человек. Для трансформации клетки требуется последовательное осуществление нескольких мутаций (в различных генах или локусах), и не все они могут быть обязательно радиогенными. На этом пути возможны также случаи спонтанной регрессии, т. е. самовыздоровления. Латентный период ракового заболевания может достигать 40 лет и более, фактически уходя иногда за предел продолжительности жизни. (Это является одной из причин того, что общая смертность от рака у населения благополучных стран обычно выше, соответствуя большей средней продолжительности жизни в этих странах.)

По современным представлениям, главным фактором противоопухолевой защиты является механизм апоптоза или запрограммированного «самоубийства» генетически дефектных клеток, который приводит к элиминации постоянно возникающих в организме клеток с мутациями, способными привести к злокачественной трансформации. Ослабление функций апоптоза при старении организма в результате накопления генетических ошибок в соматических клетках, как и сходные с этим нарушения от действия радиации, и приводят к увеличению вероятности онкологических заболеваний.

Контрольные вопросы и задания.

1. Как Вы понимаете термин «критический орган» ? Какие ткани, органы человека могут стать критическим органом при облучении?

2. При ликвидации радиационной аварии, трое работников в течение 1 часа, получили соответственно, следующие дозы -излучения :

1. 0,2 Гр 2. 1,5 Гр 3. 2,5 Гр

Какие последствия для здоровья этих людей вызовет такое облучение?

3. Чем определяется наличие латентной фазы при течении острой лучевой болезни? При каких условиях эта фаза может отсутствовать?

4. Объясните, почему хроническая лучевая болезнь возникает вследствие поражения более радиоустойчивых тканей, органов.

5. Какими факторами определяется степень тяжести лучевой болезни?

6. Через 1 час после спуска в шахту, где возможна повышенная радиация, у шахтера закружилась голова, его вырвало. Через 3 суток у него возникло подозрение, что он облучился высокой дозой ионизирующей радиации. Как можно определить, получил ли он радиационную дозу и примерно какую?

7. Какая основная причина опустошения пула зрелых клеток перифирической крови при лучевой болезни?

8. В какой фазе острой лучевой болезни наблюдается резко выраженная анемия ?

9. При облучении в каких условиях развивается хроническая лучевая болезнь у человека?

10. Опишите схему проведения опытов с целью определения значений LD₅₀ при облучении рентгеновскими лучами:

а) мышей

б) плодовых мушек (дрозофилл)

в) дрожжевых клеток

г) вируса табачной мозаики

11.. Существует закономерность: чем выше в эволюционном отношении вид, тем выше радиочувствительность особей этого вида. Это означает, что представители высокоорганизованных групп живых организмов менее радиоустойчивы, чем особи, принадлежащие к группам с более простой организацией. Как Вы объясните эту закономерность?

12. Особи одного и того же вида живых организмов характеризуются неодинаковой радиоустойчивостью. Выскажите Ваши соображения для объяснения этого факта.

13. Как Вы понимаете термин «Лучевая болезнь человека»? От каких факторов зависит проявление лучевой болезни.

14. 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 ?

15. В течение 7-10 суток после облучения человека происходит резкое снижение числа лейкоцитов и лимфоцитов в периферической крови. В то же время, количество эритроцитов в крови изменяется незначительно. Дайте объяснение этим фактам.

16. Наиболее радиочувствительным органом у млекопитающих является красный костный мозг, наиболее радиоустойчивой – нервная ткань. Почему?

17. Какими причинами обуславливается проявление:

а) желудочно –кишечного синдрома;

б) церебрального синдрома

18. Какими факторами обуславливается радиочувствительность тканей, органов, систем органов, организмов?

Задачи

1. При радиационной аварии человек равномерно облучался гамма- лучами в течение 5 часов при мощности экспозиционной дозы 5 мГр/ мин. Какой предварительный диагноз можно ему поставить?

2. В результате попадания с питьевой водой радиоактивных частиц ( α-излучение), человек облучался в течение 20 часов при мощности экспозиционной дозы 1 мГр/мин. Какие последствия для человека будет иметь это облучение?

3. Какие органы, ткани могут стать критическими органами при облучении человека:

а) равномерно, тотально в течение 10 мин рентгеновским излучением при мощности поглощенной дозы 0,16 Гр/мин;

б) кистей рук α-излучением в течение 5 мин при мощности поглощенной дозы 1 Гр/мин;

в) нижней части тела -излучением в течение 3-х месяцев при мощности поглощенной дозы 0,5 мГр/час.

4. В экспериментах по определению радиочувствительности линии мышей получили следующие данные: 90 % животных погибло при дозе 80 Зв, 80 % - 35 Зв, 60 % - 15, 40 % - 8 Зв, 20 % - 5 Зв, 10 %– 4 Зв. Каково значение LD₅₀ для этих животных?

5. Человек в течение 5 суток облучался беспрерывно тотально -излучением Р_экс = 0.01 Гр/мин. Какой наиболее вероятный прогноз относительно его здоровья?

6. 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 7 РЭ

Особенности лучевого поражения растений. Радиационные повреждения естественных биоценозов

Экспериментальных данных о действии ионизирующих излучений на растения, о степени радиочувствительности растительных объектов значительно меньше чем данных по животным объектам.

Наиболее радиочувствительны у растений пролиферирующие тка­ни - меристемы. При действии радиации на вегетирующие растения они повреждаются в наибольшей степени, что приводит затем к торможению роста растений и появлению морфологических анома­лий. Одним из последствий повреждения меристем является ослаб­ление или снятие апикального доминирования, и как следствие - усиление ветвления или кущения, образование укороченных побе­гов, активация спящих почек, растяжение вегетативного периода, зачастую не переходящего в репродуктивную фазу, частичная сте­рильность цветка.

Высокая чувствительность к радиационным повреж­дениям характерна и для прорастающих семян и вегетирующих растений на начальных стадиях органогенеза. При переходе растения от вегетативного состояния к генеративному (цветению, эмбриогенезу, созреванию) устойчивость к радиации резко возрастает. Наибольшей радиоустойчиво­стью характеризуются покоящиеся семена растений. Растения различных семейств характеризуются неодинаковой чувствительностью к действию радиации в период вегетации и созревания. Так, у злаковых зерновых невысокая устойчивость к облучению наблюдается от момента прорастания до фазы кущения и выхода в трубку, затем после­довательно возрастает на фазах колошения, цветения и созревания. Зернобобовые растения наименее устойчивы в период бутонизации, а овощ­ные (капуста, свекла, морковь, картофель) — по всходам; радиаци­онное воздействие в эти периоды может привести к наибольшим потерям урожая.

Межвидовые различия растений в пределах одного семейства по радиочувствительнос­ти достигают 20-кратных значе­ний, однако, сортовые различия культурных растений не так велики, обычно не превышают 2-3 раз. Полиплоидные сорта и ви­ды более устойчивы к облучению, чем сорта с диплоид­ным набором хромосом. В целом, радиологические эксперименты с гамма-облучением культурных растений позволили сделать следующий вывод: наименее устой­чивы злаковые культуры, более устойчивы - огурцы, бахчевые, корнеплоды (свекла, морковь), овощные кресто­цветные (капуста, рапс, редька, редис).

Негативное действие радиации на растения и животных в естественных условиях экосистем проявляется очень редко, как правило, только при очень сильном радиационном воздействии, напри­мер, при высоком уровне загрязнения среды радионуклидами. Чтобы разобраться в том, имеются ли основания говорить о воздействии повышенной радиации в конкретной экосистеме или в данном биотопе, необходимо отличать нарушения, вызванные радиацией, от различных аномалий, обусловленных другими причинами. Поэтому предваритель­но рассмотрим вопросы, касающиеся общего характера возможного влияния радиации на экосистемы и их составляющие.

Обычно считается, что если уровень загрязнения среды допускает проживание в ней человека, то тем более это безвредно и для биоценоза в целом. Главный довод -достаточно низкая (по срав­нению с человеком) радиочувствительность растений, грибов, водорослей, микроорганизмов и большинства представителей фауны. Однако, это утверждение не бесспорно, ибо условия существования человека и других обитателей природы значительно различаются.

Радионуклиды аварийных выбросов сохраняются на почвенно-растительном покрове естественных биоценозов в течение длительного времени, приводя к накоплению весьма значительных доз радиации. Деревянистые растения (деревья и кустарники) характеризуются более высокой удерживающей способностью в отношении радиоактивных выпадений и сравнительно медленным самоочищением крон, чем травяная растительность. Поэтому лес­ные биогеоценозы в большей степени подвергаются радиа­ционному воздействию, чем степные и луговые биотопы. Лесные биогеоценозы относятся к числу наиболее радиочувствительных природных экосистем. Особенно большое количество радио­активного материала удерживается на смолистой хвое хвойных пород деревьев длительное время ( течение нескольких лет). Это приводит к поглощению значительных доз ионизирующих излучений загрязненными деревьями. По-видимому, именно вследствие этого фактора, ближней зоне Чернобыльской аварии и в зоне Юж­но-Уральского радиоактивного следа (на ограниченных площадях с наибольшими уровнями загрязнения) со­сновые леса пострадали значительно сильнее, чем лиственные. Более высокая радиоустойчивость лиственных пород деревьев при их радиоактивном загрязнении обуславливается более быстрыми темпами очищения, благодаря ежегодному сбросу листвы. Восстановление пораженных хвойных лесов практически отсутствует, так как вегетативное размножение боль­шинству хвойных не присуще, а семенное размножение семенами обычно затрудняется из-за наличия мощного травяного покрова, который препятствует про­растанию семян и угнетает всходы. Расчеты показывают, что лучевое поражение сосновых лесов происходит при накоплении ростковыми почками дозы 5-30 Зв, тогда как у березовых лесов этот показатель на порядок выше - 200-300 Зв.

Весьма высок восстановительный потенциал естественной травянистой растительности. Отдельные изменения видового состава наблюдались лишь при очень высокой плотности загрязнения (500-700 Ки/км²). Из состава фитоценоза чаще выпа­дают виды, у которых почки возобновления (узлы кущения, конусы нарастания) расположены на уровне поверхности почвы или близко к ней, а сохранялись корневищные виды (вследствие эффекта экра­нирования излучения) или растения с почками возобновления, вы­соко поднятыми над поверхностью.

В таблице 1 приведены данные по радиочувствитель­ности ряда природных экосистем при загрязнении их радионуклидами. Как видно, наиболее устойчивыми к действию радиации являются сообщества с преобладанием лишайников и мхов, наиболее чувствительны- кустарники и смешанные леса.

Таблица 1. Показатели радиочувствительности некоторых природных экосистем, Гр

Экосистемы	Степень поражения
	слабое	среднее
Смешанный лес Тропический лес Кустарниковое сообщество Луговое сообщество Мохово-лишайниковое сообщество Лишайниковое сообщество	10-100 40-100 10-50 80-100 100-500 600-1000	50-350 100-400 50-200 100-1000 500-5000 1000-20000

В таблице 2 показаны данные о величинах экологически значимых доз радиации, оценен­ных по суммарной дозе за первый год после аварийного загрязне­ния, которое приводит к разрушению экосистемы.

Таблица.2. Экологически значимый предел дозы радиации для различных экосистем

Экосистемы	Доза, Гр
Хвойный лес Лиственный лес Травянистые системы ( луг, степь и др.) Сельскохозяйственные посевы Культурные пастбища Пресноводные водоемы	30 300 400 60 100 300

Негативное влияние ионизирующей радиации на популяции животных проявляется при очень высоком уровне загрязнения территорий (например, в Чернобыльской и Кыштымской зонах загрязнения ). Воздействию радиации подвергаются, в первую очередь животные, обитающие в почвенном слое. Так, у мышевидных грызунов, обитающих на техногенно загрязненных территориях с высоким содержанием радия, выявлялись морфологические и физиологические изменения при мощности дозы более 4 мР/ч. На загрязненных территориях в районе г. Кыштыма ус­тановлено снижение численности популяций беспозвоночных с длительным пребыванием в лесной подстилке: земляных червей, мириапод, клещей при уровнях загрязнения почвы ⁹⁰Sг более 100 Ки/км², повышение смертности и снижение численности мышевидных грызунов происходило при уровнях загрязнения выше 1000 Ки/км². В ближней зоне Чернобыльской АЭС представители ряда видов мелких млекопитающих вымерли уже в первый год после аварии.

Модельные исследования радиационного воздействия на животных в условиях возможного военного использования ядерного оружия выявили следующие типы поражения: медленно заживающие лучевые ожоги кожных покровов, негативное действие на воспроизводительную функцию (временное бесплодие), поражения эмбрионов. Стерили­зующее действие радиации на насекомых проявляется значительно слабее.

Изучение радиоэкологических последствий аварий на Южном Урале и ЧАЭС при хроническом (многолетнем) облучении в дозах до 5 Гр/год не выявило морфологических, биохимических изменений у организмов, даже для наиболее радиочувствительных компонентов биоты.