2.3.2. Действие ионизирующих лучей на организм

Общая характеристика повреждающего действия ионизирующих излучений. Ионизирующее излучение состоит из лучей высокой энергии, общим свойством которых является способность проникать в облучаемую среду и производить ионизацию. Источники ионизирующего излучения могут быть:

• естественными (космические лучи; уран; торий);

• искусственными (атомное и водородное оружие, радиоизотопы в промышленности, медицине).

Облучение может быть внешним, внутренним (корм, вода, воздух, через кожу) и комбинированным.

По природе ионизирующие излучения подразделяются:

• электромагнитные (рентгеновские лучи, гамма-лучи);

• корпускулярные (альфа-лучи, электроны, бета-лучи, протоны, нейтроны).

Повреждающее действие различных видов ионизирующей радиации зависит от величины плотности ионизации в тканях и их проникающей способности. Чем короче путь прохождения фотонов и частиц в тканях, тем больше вызванная ими плотность ионизации и сильнее повреждающее действие. Наибольшая ионизирующая способность у α-лучей, имеющих длину пробега в биологических тканях несколько десятков микрометров, наименьшая – у γ-лучей, обладающих большой проникающей способностью. Наибольшей проникающей способностью обладают нейтроны, рентген лучи.

Биологические эффекты разных видов ионизирующей радиации определяются не только общим количеством поглощенной энергии, но и распределением ее в тканях. Для сравнительной количественной оценки биологического действия различных видов излучения определяют их относительную биологическую эффективность (ОБЭ).

ОБЭ определяют сравнением дозы изучаемого излучения, вызывающего определенный биологический эффект, с дозой стандартного излучения, дающий тот же эффект. Стандартное излучение – рентгеновское с энергией 180-250 кэВ, ОБЭ которого принимается за 1.

Наибольшей биологической эффективностью характеризуются α-излучения, протоны и быстрые нейтроны, ОБЭ для которых равняется 10. В качестве критерия для ОБЭ используются показатели смертности, степень гематологических и морфологических изменений в тканях и органах, действие на половые железы и др. В связи с этим ОБЭ не является постоянной величиной.

Биологические эффекты определяются не только видом и величиной поглощенной дозы излучения, но также ее мощностью. Единицей измерения поглощенной дозы является грей (Гр = Дж/кг), а для сравнительной биологической оценки различных видов излучения используется специальная единица – бэр (биологический эквивалент рентгена). Чем выше мощность дозы, тем больше биологическая активность. Повреждающее действие ионизирующей радиации при кратковременном облучении более выражено, чем при длительном облучении в одной и той же дозе.

Облучение может быть однократным, дробным и длительным. При дробном (фракционированном) и длительном облучении поражение организма вызывается более высокими суммарными дозами.

Механизмы действия ионизирующей радиации на живые организмы. Общие вопросы патогенеза. Под действием ионизирующего излучения в организме начинаются физико-химические процессы, в результате которых образуются химически высокоактивные соединения, радикалы и ионы, повреждающие биологические структуры организма и вызывающие нарушение его функций. Биологическое действие ионизирующей радиации выражается в развитии местных лучевых реакций (ожоги и катаракты) и особого генерализированного процесса – лучевой болезни.

В процессе радиационного повреждающего действия можно условно выделить три этапа:

Ι. Первичное действие ионизирующего излучения на живую ткань.

ΙΙ. Действие ионизирующей радиации на клетки.

ΙΙΙ. Действие радиации на целый организм.

Первичное действие ионизирующего излучения на живую ткань

1. Первичное (прямое) действие ионизирующего излучения на живую ткань проявляется ионизацией, возбуждением атомов и молекул и образованием при этом свободных радикалов.

Из всех первичных радиохимических превращений наибольшее значение имеют радиолиз воды, составляющей 65-70% массы тела. В результате ионизации молекул воды образуются свободные атомы и радикалы: атомарный водород (Н), гидроксил (ОН^-), гидропероксид (НО₂) и перекись водорода (Н₂О₂). Время существования этих частиц не превышает 10^-5-10^-6 сек. Продукты радиолиза, в первую очередь свободные радикалы, содержащие неспаренные электроны, обладают очень высокой реакционной способностью, т.к. инициируют самые различные химические процессы: радикального окисления–восстановления, радикальной полимеризации и др.

2. Непрямое (косвенное) действие ионизирующей радиации связано с радиационно-химическими изменениями структуры ДНК, ферментов, белков и т.д., вызываемыми продуктами радиолиза воды или растворенных в ней веществ.

При окислении ненасыщенных жирных кислот и фенолов образуются липидные (перекиси, эпоксиды, альдегиды, кетоны) и хиноновые первичные радиотоксины (вероятными предшественниками хиноновых радиотоксинов в организме являются тирозин, триптофан, серотонин, катехоламины). Радиотоксины угнетают синтез нуклеиновых кислот, действуют на молекулы ДНК как химические мутагены, изменяют активность ферментов, реагируют с липидно-белковыми внутриклеточными мембранами. В результате этого возникают нарушения процессов обмена, функциональные и структурные повреждения клеток, органов и систем организма.

Свободные радикалы вступают во взаимодействие с наиболее реактивными белковыми структурами ферментных систем (SH-группами – сульфгидрильными группами) и переводят их в неактивные дисульфидные группы (S= S).

Действие ионизирующей радиации на клетки

Ионизирующее излучение вызывает различные реакции клеток – от временной задержки размножения до их гибели. В основе радиационного поражения клеток лежат нарушения ультраструктуры органелл и связанные с этим изменения обмена веществ. Малые дозы ионизирующего облучения вызывают обратимые нелетальные изменения клетки, которые проявляются сразу или через несколько минут после облучения (ингибирование синтеза нуклеиновых кислот, изменение проницаемости клеточных мембран, слипание хромосом, задержка митоза).

Происходят нарушения генетического аппарата клетки (генные мутации и хромосомные аберрации). В ряде случаев, благодаря имеющимся в клетке восстановительным (репаративным) процессам (их обеспечивают ферменты – ДНК-репаразы), поврежденные участки молекулы ДНК восстанавливаются – происходит репарация ДНК. В случае недостаточности механизмов репарации мутация ДНК ведет к опухолевой трансформации соматической клетки, а половая клетка становится носителем наследственных болезней.

При больших дозах облучения в клетках развиваются летальные изменения, ведущие к повреждению внутриклеточных мембран. В результате в митохондриях нарушается окислительное фосфорилирование, из лизосом высвобождаются ферменты (рибонуклеазы, дезоксирибонуклеазы, катепсины), которые повреждают нуклеиновые кислоты, цитоплазматические и ядерные белки. В клетках наступают летальные изменения, приводящие к их гибели либо до вступления в митоз (интерфазная гибель), либо в момент митотического деления (митотическая, или репродуктивная гибель).

В целостном организме клеточные элементы различных органов и тканей им неодинаковую чувствительность к облучению. Чувствительность клеток прямо пропорциональна их способности к делению (пролиферации) и обратно пропорциональна уровню дифференциации – закон, или правило Бергонье и Трибондо (1903).В первую очередь чувствительны кроветворная и лимфоидная ткань, железистый эпителий пищеварительных и половых желез, эпителий кожи, волосяные луковицы. Относительно устойчивы хрящевая, костная, мышечная и нервная ткань. Нервные клетки при прямом облучении гибнут в последнюю очередь.

Действие радиации на уровне организма

При переходе от изолированной клетки к ткани, органу и организму все проявления радиационных эффектов усложняются, т.к. не все клетки поражаются в равной степени, а тканевой эффект не равен сумме клеточных эффектов.

Существует многообразие тканевых и системных реакций, проявляющихся вскоре после облучения, а также в отдаленный период. Это многообразие определяется условиями радиационного воздействия – видом излучения, величиной и мощностью дозы, распределением ее во времени, физиологическим состоянием организма, его возрастом.

Местное действие радиации на организм проявляется в виде радиационных катаракт, ожогов. Степень радиационного ожога определяется дозой облучения:

• 1 степень – легкие ожоги – доза облучения 8-12 Гр;

• 2 степень – ожоги средней тяжести – доза облучения 12-20 Гр;

• 3 степень – тяжелые ожоги – больше 20 Гр.

При облучении свыше 20 Гр погибает не только кожа, но и подкожная клетчатка, фасции, мышцы и даже кости. У пораженных развивается лихорадка, высокий лейкоцитоз, тяжелый болевой синдром.

Радиационная катаракта³ – типичное отдаленное последствие тотального облучения организма или местного облучения хрусталика. В зависимости от вида животного катаракта развивается при дозах облучения 3–10 Гр. Причина катаракты – первичное поражение клеток ростковой зоны хрусталика и, в меньшей степени, – нарушение его питания.

Общее действие радиации на организм проявляется лучевой болезнью. Скорость протекания лучевой болезни зависит от величины дозы облучения и от того, получена ли эта доза однократно или постепенно в течение длительного времени. В первом случае разовьется острая лучевая болезнь, во втором – хроническая. Тяжесть лучевой болезни зависит от следующих факторов:

• количества поглощенной энергии;

• локализации и величины площади облученной поверхности;

• времени облучения;

• вида ионизирующей радиации

• видовой и индивидуальной чувствительности.

Мелкие грызуны (мыши, крысы) относительно высоко радиорезистентны по сравнению с крупными животными (собаки, овцы, свиньи). Холоднокровные обычно устойчивее, чем млекопитающие, а насекомые в несколько раз еще более устойчивы, чем рептилии. Птицы тоже достаточно радиорезистентны.

Острая лучевая болезнь

Общее однократное облучение организма дозой 1 Гр проявляется в виде комплекса клинически значимых реакций организма – лучевой болезни или острой лучевой болезни (ОЛБ). Начиная от пороговой дозы 1 Гр, при дальнейшем увеличении дозы изменяется степень тяжести проявления ОЛБ.

В зависимости от дозы облучения различают степени ОЛБ:

• при дозе 1–2 Гр – ОЛБ І (легкой) степени;

• при дозе 2–4 Гр – ОЛБ ІІ(средней степени);

• при дозе 4–6 Гр – ОЛБ ІІІ (тяжелой) степени;

• при дозе свыше 6 Гр – ОЛБ ІV (крайне тяжелой) степени.

Формы течения острой лучевой болезни

Церебральная форма – развивается при облучении в дозах выше 80 Гр. Смертельный исход может произойти в ходе самого облучения или через несколько часов после него. Наиболее тяжелые изменения наблюдаются в нервной системе. Имеют место значительные структурные изменения и даже гибель нервных клеток коры больших полушарий и гипоталамуса. Развивается судорожно-паралитический синдром, нарушения сосудистого тонуса и терморегуляции. Смерть наступает через 1-3 дня; а при дозах 150-200 Гр – смерть под лучом.

Токсемическая форма – развивается при облучении в дозах 20-80 Гр. Характеризуется выраженными гемодинамическими нарушениями, главным образом в кишечнике, парезом сосудов, тахикардией, кровоизлияниями, тяжелой интоксикацией и отеком мозга. Развивается олигурия и гиперазотемия вследствие поражения почек. Смерть на 4-7 сутки.

Кишечная форма – развивается при облучении в дозах 10-20 Гр. Происходит прекращение митотического деления клеток кишечного эпителия и их массовая интерфазная гибель, потеря белков, электролитов, дегидратация тканей. Обнажается поверхность слизистой оболочки кишок, что способствует проникновению инфекции. Возможно развитие шока вследствие действия токсических веществ микробного и тканевого происхождения.

Клиническая картина характеризуется рвотой, анорексией, вялостью, кровавым поносом, повышением температуры тела, болью по ходу кишок. Развивается паралитическая непроходимость кишок, перитонит вследствие нарушения барьерной функции кишечной стенки, геморрагии, глубокая лейкопения с полным отсутствием лимфоцитов в периферической крови. Смерть на 7-10 сутки.

Костномозговая форма ОЛБ развивается при облучении в дозах 1-10 Гр. Имеет место преимущественное поражение костного мозга. Различают четыре клинических периода костномозговой формы острой лучевой болезни:

• период первичных реакций;

• скрытый период;

• период развернутых клинических признаков;

• период раннего восстановления.

Период первичных реакций – возникает через несколько часов – 1-2 дня после облучения. Является реакцией нервных и гуморальных механизмов на облучение. Проявляется возбуждением, головной болью, неустойчивыми вегетативными функциями, рвотой, поносом, тахикардией, одышкой. Температура тела повышается вследствие центрального расстройства терморегуляции. В крови – абсолютная и относительная лимфоцитопения, ретикулоцитоз, понижение фагоцитарной активности нейтрофилов. Продолжительность периода – 1–3 дня.

Скрытый период (период мнимого благополучия). Самочувствие больных становится удовлетворительным, проходят клинически видимые признаки болезни. Явления, связанные с перевозбуждением ЦНС, исчезают. Однако нарастает поражение системы крови. В крови лимфоцитопения на фоне лейкопении, анемия, тромбоцитопения. У части животных – депиляция, подавление ранних стадий сперматогенеза, понижение половой активности. Развитие изменений в тонком кишечнике и коже. Продолжительность периода зависит от дозы облучения и составляет 14–32 сут.

Период развернутых клинических признаков – характеризуется выраженными проявлениями со стороны крови – лейкопения, тромбоцитопения и анемия с появлением патологических форм эритроцитов. В костном мозге – картина опустошения с начальными признаками регенерации. СОЭ повышается, резко понижается фагоцитарная активность нейтрофилов, угнетена функция Т– и В– систем иммунитета. Наблюдается гиперпротеинемия, гипоальбуминемия, повышение содержания остаточного азота и снижение уровня хлоридов. Общее состояние угнетенное, температура тела повышена, аппетит подавлен, быстро понижается масса тела. Геморрагический синдром (множественные кровоизлияния и кровотечения). Отек гортани, носоглотки, легочной ткани. Наиболее типичные осложнение – инфекционные (пневмония). Продолжительность фазы – несколько дней – 2–3 недели.

Период раннего восстановления характеризуется постепенной нормализацией нарушенных функций. Понижается до нормы температура тела, исчезают геморрагические и диспепсические проявления, восстанавливается аппетит. Замещаются некротизированные клетки слизистых оболочек. Нормализуется гемопоэз, восстанавливаются показатели крови. Начинается рост волос.

Продолжительность периода раннего восстановления зависит от поглощенной дозы и длится 2–2,5 месяцев. К концу 3 мес. от начала заболевания самочувствие становится удовлетворительным, хотя отдельные проявления еще имеют место: рост волос возобновляется только к 4 мес., сперматогенез восстанавливается лишь через 4–6 мес.

Период восстановления организма после острого лучевого поражения можно свести к пролиферации клеток, сохранивших жизнеспособность, благодаря чему восполняется убыль популяции клеток критических органов и систем, восстанавливается их функциональная полноценность.

Процессы восстановления в организме протекает с различной скоростью:

– наивысшей в активно пролиферирующих тканях (красный костный мозг, крипты кишечника, кожа и др.);

– минимальной в тканях с низким уровнем пролиферации (костная, мышечная ткань, печень и др.).

Типовые синдромы острой лучевой болезни. Несмотря на большое разнообразие клинических проявлений, в картине острой лучевой болезни можно выделить типовые синдромы.

Расстройство гемодинамики. Оно выражается в дистонии различных отделов сосудистого русла, в полнокровии легких, миокарда, печени, почек, кишечника и его брыжейки, оболочек мозга, в переполнении кровью полостей сердца и полых вен. Значительно изменяются сосудистая стенка: повышается проницаемость, понижается тонус.

Геморрагический синдром. В его основе лежит уменьшение числа тромбоцитов, удлинение скорости свертывания крови и понижение уровня протромбина в крови вследствие нарушения образования его в печени. У тромбоцитов нарушается способность к склеиванию. Изменяется молекулярная структура фибриногена и фибрина, вследствие чего снижается способность к ретракции. Повышается активность фибринолиза и противосвертывающей систем. В печени понижается синтез белков свертывающей системы.

Гипоксия тканей вследствие пассивного полнокровия органов, замедления кровотока, нарушения проницаемости сосудистой стенки, множественных кровоизлияний.

Дистрофические и некробиотические изменения в тканях и органах. Усиливается распад белка, понижается альбуминово-глобулиновый коэффициент, понижается потребление кислорода в тканях, понижается щелочные резервы тканей, понижается активность ферментных систем.

Изменение иммунологического статуса. Естественный иммунитет понижается вследствие повышения проницаемости тканей, понижения бактерицидных свойств кожи и сыворотки крови. Подавляется продукция антител, понижается и искусственный иммунитет. Распадающиеся ткани способствуют формированию аутоиммунных реакций.

Нарушения со стороны нервной системы. Спустя несколько секунд после облучения нервные рецепторы подвергаются раздражению продуктами радиолиза и распада тканей. Импульсы поступают в измененные непосредственным облучением нервные центры, в результате нарушения нервно-рефлекторной деятельности появляется раньше других типичных симптомов лучевой болезни.

Реакция эндокринной системы. Первоначальные признаки повышения активности сменяются истощением функции.

Хроническая лучевая болезнь

Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ) – самостоятельная нозологическая форма лучевого поражения, развивающаяся в результате продолжительного облучения в дозах, суммарно достигающих 1,0–3,0 Гр. Сроки развития проявлений ХЛБ зависят от мощности дозы и варьируют от нескольких месяцев до 1–3 лет. Заболевание отличается постепенным развитием и длительным волнообразным течением, характер изменений при этом определяются интенсивностью и суммарной дозой облучения.

По тяжести различаю три степени ХЛБ, обусловленной общим облучением.

При Ι степени (легкой) преобладают функциональные нарушения нервно-рефлекторной природы, выявляется умеренная лейкопения, тромбоцитопения.

Для ΙΙ (средней) степени характерна отчетливая функциональная недостаточность системы крови, иммунной, сердечно-сосудистой, пищеварительной, других систем организма. В красном костном мозге – гипоплазия; в периферической крови – лейкопения и лимфопения, тромбоцитопения.

ΙΙΙ (тяжелая) степень проявляется атрофическими и дистрофическими процессами в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта, в лимфоидных и других органах. Нарушено кровообращение, повышена проницаемость гистогематических барьеров. Развивается геморрагический синдром. Болезнь осложняется инфекционно-септическими процессами.

К числу отдаленных последствий перенесенной острой или хронической лучевой болезни относят осложнения опухолевого (бластоматозного) или неопухолевого характера.

Бластоматозные осложнения заключаются в развитии злокачественных новообразований практически во всех органах. Однако наиболее частыми следует считать злокачественные опухоли кожи и костей, эндокринно-зависимые опухоли (рак молочной железы и яичников), а также радиационные лейкозы.

К неопухолевым осложнениям в первую очередь относят сокращение продолжительности жизни, гипопластические состояния в кроветворных органах, слизистых оболочках органов пищеварения, дыхательных путей, в коже и других органах; склеротические процессы (цирроз печени, нефросклероз, лучевые катаракты и др.), а также дисгормональные состояния (ожирение, гипофизарная кахексия, несахарное мочеизнурение).

Генетические отдаленные последствия или наследственные заболевания (или нарушения) проявляются не у самих облученных животных, а у их потомства. Не существует каких-либо специфических радиационных мутаций, облучение лишь увеличивает вероятность проявления спонтанных мутаций.