книги из ГПНТБ / Биологические эффекты неравномерных лучевых воздействий

когда непосредственно облученный костный мозг уже не имеет своих ресурсов для восстановления.

Так как для восстановления поврежденного костного мозга требуется достаточно большое количество здоровых стволовых клеток, то эффект восстановления и повышения выживаемости зависит от ряда условий: объема необлученного или слабо облученного костного мозга или других органов кроветворения; способности (она сильно варьирует у животных разных видов) стволовых клеток к расселению и замещению поврежденных; длительности цикла дифференцировки и созревания клеток, которая также варьирует; дозы и мощности дозы излучения; степени фракционирования и пр. В связи с этим сохраненный при неравномерном облучении резерв здоровой кроветворной ткани может при одних условиях оказаться достаточным для оздоровления системы, а при других — недостаточным.

Найдено два способа, эффективно повышающих значение сохраненного резерва костного мозга для восстановления крове­ творения и предупреждения гибели животных. В опытах на крысах [9, 47], мышах [8, 149] и обезьянах Резус [112] пока­ зано, что эффективность экранирования части костного мозга может быть значительно увеличена искусственным расселением клеток из экранированного участка путем их внутривенной ауто­ трансплантации через 1—3 ч после облучения. При изучении этого феномена обнаружили, что для повышения эффективности экранирования достаточно пересадить небольшую часть защи­ щенной ткани, т. е. лимитирующей является замедленность спонтанного расселения неповрежденных стволовых клеток.

У животных разных видов темп спонтанного расселения ство­ ловых клеток сильно различается. В связи с этим, у мышей, стволовые клетки которых расселяются интенсивно, максималь­ ный эффект по выживаемости наблюдается уже при экраниро­ вании костного мозга голени, содержащей относительно мало клеток. Экранирование большего объема костного мозга не приводит к увеличению выживаемости [8]. У крыс также опре­ делен необходимый для экранирования объем костного мозга, дальнейшее увеличение объема защищенного участка перестает сказываться на выживаемости [1]. В связи с этим пересадка костномозговых клеток из экранированного участка дает у крыс и мышей положительные результаты при разных условиях опыта. У крыс выживание значительно возрастает при ауто­ трансплантации из экранированной во время облучения бедрен­ ной кости [47, 51], у мышей выживаемость при аутотрансплан­ тации повышается, если экранируется лучевая кость и из нее берется костный мозг для пересадки. При экранировании боль­ шого объема костного ^озга аутотрансплантация не повышает выживаемости у мышей [1].

Таким образом, есть основание считать, что аутотрансплан­ тация дополняет спонтанно происходящее расселение стволовых

90

клеток из необлученного участка, когда само спонтанное рас­ селение недостаточно для максимально возможного в данных условиях увеличения выживаемости облученных животных.

Можно ли на основании приведенных фактов заключить, что при экранировании большого участка костного мозга аутотранс­ плантация совершенно не имеет смысла? Такой вывод пред­ ставляется необоснованным; следует учесть, что в приведенных выше работах выживаемость регистрировалась только в тече­ ние одного месяца после облучения. Экранирование и пере­ садка могут, по-видимому, оказывать положительное влияние и при сублетальной дозе радиации [150].

Аутотрансплантация костного мозга из экранированной части для крыс имеет большее значение, чем для мышей, что соответ­ ствует меньшей подвижности их стволовых клеток. В пользу большего спонтанного расселения стволовых клеток у мышей по сравнению с крысами, свидетельствует ряд фактов. Для по­ лучения максимального по выживаемости эффекта от экраниро­ вания голени у мышей необходимо, чтобы защищенная голень находилась в облученном организме не менее 5 ч. Более дли­ тельное ее пребывание не повышает выживаемости облученных мышей [8]. У крыс такой лимит времени равен двум сут­ кам [94].

Другой аргумент в пользу большей подвижности стволовых клеток у мышей по сравнению с крысами является более быстрое и полное восстановление небольшого участка костного мозга, подвергнутого местному рентгеновскому облучению [103, 151, 152]. Результаты этих опытов трудно объяснить иначе, чем более быстрой миграцией стволовых клеток из иеоблученной части костного мозга в облученную. У обезьян, по предвари­ тельным данным [103], восстановление облученного участка

Имеются литературные данные о том, что у человека совсем не происходит спонтанное расселение стволовых клеток [153, 154]. Местно облученный костный мозг не восстанавливается, хотя введение в вену консервированных необлученных костномозго­ вых клеток, взятых до облучения у этого же человека, приводит к репопуляции.

Особенности, описываемые у человека, хотя и требуют уточ­ нения, говорят в пользу того, что у человека аутотранспланта­ ция костного мозга из необлученных его участков должна быть особенно эффективной.

Клинические исследования больных, облучавшихся по по­ воду рака женских половых органов, дали положительные ре­ зультаты [139, 140, 155]. Аутотрансплантация костного мозга из грудины, не подвергавшейся облучению, уменьшала развитие лейкопении и позволяла продолжать лучевое лечение. Клиниче­ ские наблюдения показывают, что костный мозг в экранирован-

91

ной области тела остается пригодным для пересадки не только сразу или через несколько часов после облучения, но и через длительное время, когда у животных развиваются лучевые из­ менения в периферической крови. Аутотрансплантация увеличи­ вала выживаемость не только после однократного облучения, но и после фракционированного воздействия по три раза в течение двух недель (каждый раз экранировали одну и ту же голень). Представляет интерес в связи с этим состояние костного мозга в экранированном участке.

По нашим, еще не опубликованным данным, у мышей даже в небольших экранированных участках костного мозга (голень) сохраняется обычный процент стволовых клеток и через неко­ торое время после облучения их число даже может превышать нормальное. Эти результаты, полученные с помощью метода селезеночных макроКолоний [156], свидетельствуют о полноцен­ ности экранированного костного мозга в течение длительного времени после облучения.

Хотя в костном мозге под экраном сохраняется определен­ ный процент стволовых клеток, число ядросодержащих клеток в целом снижается на 40—50%. Эти данные соответствуют и другим наблюдениям [115]. Дефицит ядросодержащих клеток длится несколько дней и выравнивается за счет увеличения главным образом молодых клеток.

Следует отметить, что у мышей при остаточной дозе за экра­ ном до 400 р и облучении остальной части тела в дозе, в два раза большей, костный мозг сохраняет при аутотрансплантации свою эффективность [10, 52].

Изложенные факты показывают, что при парциальных и неравномерных облучениях, с которыми практика встречается чаще всего, может быть применен эффективный метод лечения или предупреждения развития лучевой болезни — аутотра1#с- плантация костного мозга из необлученного его участка. При тотальном облучении этот метод может быть использован, если костный мозг был взят и консервирован до облучения. Предло­ женный, вариант аутотрансплантации, помимо радиологической клиники, может быть применен в некоторых случаях облучения людей в аварийных ситуациях.

Второй способ повышения эффективности экранирования является вариантом первого. Речь идет также об ускорении репопуляции облученного костного мозга за счет сохранившихся при неравномерном облучении клеточных ресурсов. Вместо аутотрансплантации, которая обязательно предполагает знание локализации предохраненной от облучения области костного мозга, применяется стимуляция кроветворения.

В экспериментах на крысах и мышах было показано, что при тотальном воздействии в большой дозе стимуляция кроветво­ рения посредством предварительной кровопотери не повышала выживаемости животных, в условиях же экранирования одной

92

голенИ у крыс й лучевой кости у мышей выживаемость живот­ ных значительно повышалась [100, 157J.

Такое же повышение эффективности экранирования путем повторной кровопотери показано в опытах с длительным еже­ дневным фракционированным облучением мышей в дозе 100 р до гибели [4, 158, 159]. Подобные результаты получены при применении в виде стимуляторов эритропоэтина, получаемого от анемизированных животных. В опытах с эритропоэтином дости­ гался лечебный эффект, поскольку стимулятор вводился после облучения, в опытах с кровопотерей стимуляция использовалась как профилактическое средство.

Принцип использования стимуляторов кроветворения при субтотальном облучении, оправдавший себя в описанных выше опытах с кровопотерей и применением эритропоэтина, получил дальнейшее развитие. В опытах с этаденом [160, 161] и маэфиллином [161] показано, что при большой дозе радиации эти фармакологические стимуляторы лейкопоэза способствуют вос­ становлению кроветворения и выживанию крыс, причем либо только, либо преимущественно в условиях экранирования части костного мозга. Таким образом, на грызунах можно считать доказанной возможность в какой-то степени заменять ауто­ трансплантацию в условиях неравномерного облучения в ле­ тальной дозе применением стимуляторов эритропоэза и лейко­ поэза. Это может иметь практическое значение, так как далёко не всегда известно, какая область или участок костного мозга получили относительно небольшую дозу радиации.

Выше было показано, что стимуляция эритропоэза эритро­ поэтином или-повторным кровопусканием увеличивает продол­ жительность жизни мышей, подвергшихся длительному фрак­ ционированному облучению с экранированием голени. Заслужи­ вает внимания эффект экранирования голени у мышей или крыс при ежедневном облучении без применения стимуляторов. При ежедневном облучении мышей в дозе 40 р они начинают гибнуть по достижении суммарной дозы 840 р, а вся группа погибает, когда суммарная доза достигает 2500 р, т. е. при­ мерно через 73 суток после начала облучения. В этих условиях фракционирования дозы экранирование оказывается более эф­ фективным, чем при большей разовой дозе — 100—200 р. В по­ следнем случае эффективность экранирования оказывается при­ мерно такой же, как и в опытах с однократным облучением. Животные, подвергавшиеся облучению в разовой дозе 40 р с экранированием голени, погибали при суммарной дозе в два раза большей, чем при тотальном облучении.

Представляет интерес механизм защиты в этих опытах, когда выселяющиеся из экранированного участка клетки в дальнейшем подвергаются ежедневному облучению. Обращает на себя вни­ мание нарастание с увеличением суммарной дозы аплазии кост­ ного мозга в участках, подвергающихся облучению, относитель­

93

ная его устойчивость в экранированном участке й развитие преимущественно эритроидного кроветворения в селезенке, не­ смотря на ежедневное облучение в течение всего опыта.

Увеличение продолжительности жизни мышей в условиях экранирования голени и сохранение элементов крови на до­ вольно высоком уровне объясняется главным образом доста­ точно интенсивно идущим кроветворением в селезенке [54]. Активация миэлопоэза в селезенке в период репарации описана также после однократного облучения [162], она имеет, по-ви­ димому, приспособительное значение в различных условиях. Механизм подобного защитного влияния экранирования в опы­ тах с фракционированным облучением нуждается в дальнейшем исследовании.

Своеобразие течения лучевой болезни при субтотальном об­ лучении определяется защитой и восстановлением кроветворе­ ния. Благодаря восстановлению кроветворения может ослаб­ ляться повреждение и других органов и систем. Степень изменения реакции этих систем определяется, очевидно, харак­ тером зависимости их функции от состояния системы крови. Можно думать, что эта зависимость различна для разных орга­ нов и систем.

Выяснение этих взаимоотношений поможет уточнить разли­ чия в течении лучевой болезни в условиях равномерного и неравномерного облучения и имеет практическое значение, определяя полноценность костномозгового лечения. В связи с важностью этого вопроса, уже давно проводятся исследования, выясняющие характер повреждения в неравномерно облучен­ ном организме или при трансплантации костного мозга.

Многочисленные наблюдения прежде всего указывают на относительную независимость поражения кроветворной системы от поражения кишечника. В исследованиях, выполненных на мышах и крысах, было выяснено, что в условиях экранирования части костного мозга или при аутотрансплантации лимитирую­ щей является гибель животных от поражения кишечника. В слу­ чае лечения костным мозгом уменьшение гибели наблюдается, начиная с пятых-шестых суток после однократного облучения, т. е. в период развития костномозгового синдрома. При фрак­ ционированном облучении, когда кишечный синдром менее вы­ ражен, значение экранирования или трансплантации костного мозга значительно возрастает. Эти данные совпадают со мно­ гими наблюдениями, описанными в литературе. Однако неко­ торое снижение гибели от кишечного синдрома также можно

наблюдать [163].

Выживаемость мышей даже при тотальном воздействии в большой дозе увеличивается, если, наряду с лечением стрепто­ мицином, применять аутотрансплантацию костного мозга. Име­ ются также данные [164] о меньшем повреждении фермента­ тивной функции слизистой тонкой кишки крыс при экранирова-

94

нйи одной конечности во время облучения в сублетальной дозе. Показано [165], что у кошек при экранировании одной конеч­ ности во время облучения хирургические раны стенки желудка заживают лучше, чем при тотальном облучении в той же дозе.

Наиболее интересно в теоретическом отношении выяснить связь между повреждением соединительнотканых образований и кроветворной системы, поскольку элементы последней прини­ мают непосредственное участие в жизнедеятельности соедини­ тельной ткани, могут превращаться в стационарные клеточные элементы, участвуют в воспалительных и трофических процессах

ит. д.

Вэтом отношении интересна работа [166], показавшая, что регенерация перелома кости у кролика осуществляется быстрей

при экранировании участка костного мозга. Подобная работа с длительным фракционированным облучением и экранированием проводится в настоящее время и в нашей лаборатории.

Реакция некоторых эндокринных органов, и в частности щитовидной железы, мало зависит от состояния кроветворных органов и от экранирования части костного мозга. Эта железа оказывается поврежденной в одинаковой степени как при об­ щем, так и при субтотальном облучении [167]. Повреждение семенников, напротив, значительно ослабляется при экраниро­ вании конечностей у мышей [168].

Экранирование участка костного мозга мышей оказывает положительное влияние на восстановление естественного имму­ нитета и иммуногенеза. Это проявляется прежде всего в отно­ шении такого интегрального показателя как аутоинфекция. При экранировании наблюдается ослабление бактериемии и леталь­ ности от нее [169].

Перспективными представляются исследования взаимоотно­ шений между разными клетками крови в связи с выяснением потенциальных возможностей превращения стволовых клеток, а также изучение болезней крови, при которых аутологическая пересадка кроветворных клеток и экранирование кроветворных органов может иметь методическое значение.

Ценным для выяснения некоторых гематологических вопро­ сов, связанных с репарацией в системе крови при экранирова­ нии, может оказаться распространение исследований на новые объекты, в частности, на низших позвоночных. Опыты, прове­ денные на лягушках, показывают, что экранирование одной ко­ нечности у них, так же как и у млекопитающих, приводит к рез­ кому снижению гибели после облучения [170]. Выяснилось, что у лягушек, подобно высшим позвоночным, существует два пика смертности, соответствующие повреждению кишечника и органов кроветворения [171].

Результаты, полученные в работах со стимуляторами крове­ творения при экранировании, представляют интерес с .точки зрения выяснения значения гуморальных факторов в репарации

95

После неравномерных облучений. Последнее, например, Показано путем введения необлученного костного мозга, помещенного в микропористых капсулах в брюшную полость облученных крыс [172]. Положительное гуморальное влияние необлученпых тка­ ней на облученные выявлено также при облучении кожи кроли­ ков через свинцовые решетки [173].

Скорость пострадиационного восстановления после неравномерных лучевых воздействий

Специфичность радиационной обстановки в космосе, обуслов­ ленная разными видами излучения, характером пространствен­ ного и временного распределения дозы [174, 175] привела к необходимости оценивать радиационную опасность, используя «дозовый эквивалент» (ДЭ), введенный МКРЗ для суммиро­ вания воздействия излучения с разными ЛПЭ и другими харак­ теристиками [176]. Такой методический подход несомненно перспективен и для обоснования допустимых уровней облуче­ ния в условиях длительного полета.

При решении задач космической радиобиологии необходимо учитывать как пространственное, так и временное распределе­ ние дозы (177].

Поиски оптимальных ритмов дробления дозы в лучевой терапии выявили некоторые закономерности радиационного по­ ражения и восстановления. Первая попытка количественно оце­ нить восстановление при местном облучении предпринята в работе [178]. По времени появления и исчезновения эритемы на коже больных, которых облучали с терапевтической целью, были определены границы допустимой нагрузки на кожу при интенсивном однократном облучении. Для оценки эффекта уменьшения радиационного поражения предложена следующая формула:

О эф = D0e-“H

где ДЭф — эффективная доза, До — доза первого облучения, а — коэффициент скорости восстановления, Т — время после облуче­ ния. Скорость пострадиационного восстановления лучевого пора­ жения кожи человека оказалась величиной постоянной и равной 18% в сутки. Представления об экспоненциальном характере восстановления легли в основу всех последующих исследований. Вместе с тем имеются данные, что скорость восстановления кожи после облучения в дозе, близкой к эритемной, составляет не более 2,5% в сутки [179].

Использование метода повторных облучений [180, 1811 по­ зволило построить кривую уменьшения поражения в тканях при рентгенотерапии в случае интенсивного однократного облучения. Эффект восстановления оценивали по добавочной дозе, необ­ ходимой для поддержания реакции тканей на одном уровне.

96

Количественная оценка процесса восстановления у человека при местном облучении проведена в работах [182—1841. Отме­ чено, что скорость восстановления при этом,составила 22—27%,

апериод полувосстановлеиия — 2,5—4 суток.

Внекоторых условиях возможно преимущественное облуче­ ние отдельных областей тела. На модели двухкратного облуче­ ния с различными интервалами между двумя фракциями были изучены закономерности восстановления организма

следует отметить тенденцию более быстрого темпа восстановле­ ния при преимущественном облучении головы. Сопоставление кривых восстановления после общего облучения в дозе 300 р и облучения головы в дозе 1800 р с теоретической, рассчитанной по экспоненциальному уравнению [186], дало наилучшее совпа­ дение с экспериментальными данными. Расчет показывает, что при значении р от 7,7 до 12,3% и / от нуля до 10% теоретиче­ ская кривая находится в пределах доверительного интервала экспериментальных точек.

Для космической радиобиологии представляют большой ин­ терес исследования по выяснению темпа восстановления после парциальных лучевых воздействий в связи с возможной экра­

становления в обоих случаях описывается сложной зависи­ мостью (рис. 32). Основные результаты приведены в табл. 19.

Можно было бы предположить, что при облучении верхней половины тела (меньшая часть от общей массы тела) восста-

новление будет идти быстрее, чем при общем облучении и облу­ чении нижней половины тела. Однако в первом случае темп восстановления оказался таким же, как и после общих лучевых воздействий [185]. После облучения нижней части тела в дозе

к повторному лучевому воздействию после облучения передней (б) и задней (а) поло­ вины тела.

648 р (ЛДо/зо) период полувосстановления (1,7 суток) был значительно короче по сравнению с общим облучением и облу­ чением верхней части тела (7,5 суток), хотя масса подвергшихся лучевому воздействию тканей в последнем случае примерно в 1,5 раза больше (74,3 и 125,7 г соответственно).

Т а б л и ц а 19

Значения ЛД50/30 после двухкратного облучения нижней и верхней частей те­ ла крыс

Этот опыт наглядно показывает, как важно учитывать не только массу облучавшихся тканей, но и критические органы, ответственные за радиобиологический эффект.

98

При определений влияния экранирований органов брюшной полости на характер восстановления после облучения в различ­ ных дозах [71, 88] было показано, что скорость восстановления лучевого поражения у мышей и крыс как с экранированием, так и без него зависит от дозы первого облучения. В обоих случаях скорость восстановления замедляется с увеличением

кривой изменения остаточного поражения (первые — третьи сут­ ки) и темпом репарации ЖКТ [188]. Участок кривой восстановле­ ния, соответствующий 5—30 суткам пострадиационного периода, объясняется восстановлением других органов и систем орга­ низма.

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что как при облучении нижней части тела, так и при экранировании

еевыявляется большая скорость восстановления по сравнению

стемпом репарации при общем лучевом воздействии [88, 187].

Вопытах, описанных в работе [189], собак облучали нерав­ номерно с расчетом, чтобы общее количество поглощенной энергии было таким же, как и при равномерном лучевом воз­ действии в дозе 300 р. Период полувосстановления при нерав­ номерном лучевом воздействии был равен 8,6 суткам, при общем равномерном облучении в дозе 300 р — 16,9 суткам. На

7* 99