Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология и радиационная безопасность. Пособие для студентов вузов
.pdf
Рис. 12. Основные типы радиационных повреждений в ДНК. 1 — нативная
ДНК; 2 — одиночные разрывы; 3 — двойные разрывы; 4 — повреждение азо-
тистых оснований
рушению пространственной структуры хроматина, так называемым аберрациям хромосом.
Образование достаточно высокого количества аберраций хромосом — одна из причин летального воздействия ионизирующих излучений. Хромосомные аберрации приводят к искажению
структуры гена и информации, заключенной в нем, воз можна и
гибель молекулы ДНК и, как следствие, этого гибель самой клетки, ткани, органа и орга низма в целом. Хромосомные аберрации
выступают в качестве одних из первых цитогенетических маркеров радиационного поражения орга низма.
Одиночные разрывы, как правило, не приводят к поломке самой структуры ДНК, так как разорванная нить прочно удерживается на месте водородными, гидро фобными и другими связями
со стороны комплементарной нити ДНК, и они быстро восстанавливаются репаративными системами. Установлено, что в клетке одновременно может быть восстановлено до 7 одиночных разрывов. Восстановление одиночных разрывов протекает преимущественно по механизму эксцизионной репарации, которая заключается в эксцизии (вырезании) части полипептидной цепочки,
содержащей поврежденные звенья ДНК, и использовании комплементарной (неповрежденной) цепочки в качестве матрицы для
повторного синтеза нового отрезка ДНК взамен поврежденного.
Механизм эксцизионной репарации проходит в несколько эта-
151
пов. На первом этапе специфические эндонуклеазы узнают поврежденный участок и разрезают нить ДНК на расстоянии восьми
фосфодиэфирных связей с 5′-стороны и четырех-пяти связей с
3′-стороны от поврежденного элемента. На втором этапе 5′-3′-экзонуклеаза удаляет поврежденный участок. На третьем этапе образовавшийся одноцепочечный участок ДНК служит в качестве
матрицы для ДНК-полимеразы I при синтезе цепи, замещающей
вырезанную последовательность. Наконец, ДНК-лигаза ковалентно связывает 3′-конец нового материала со старым. В клетках
млекопитающих скорость эксцизионной репарации половины
одиночных разрывов ДНК при нормальных физиологических условиях составляет 15 мин. При этом одиночные разрывы репарируются даже в летально поврежденных клетках. Репарация ДНК
в таких клетках, помимо эксцизионного механизма («иссечения
и заполнения»), может проходить по механизму пострепликаци-
онной (или рекомбинационной) репарации, который заключается не
в исправлении повреждений в облученной ДНК, а в исправлении
дефектной дочерней ДНК, образующейся после репликации поврежденной родительской ДНК. Поэтому многие радиобиологи
склоняются к мысли о том, что сами по себе одиночные разрывы
не являются причиной гибели клеток. Однако увеличение энергии
ионизирующего излучения, дозы и длительности облучения способствует резкому накоплению одиночных разрывов (от 20–100 и
выше) и увеличению вероятности образования двойных разрывов.
Так, исследованиями показано, что при дозе 1 Гр в каждой клетке
человека повреждается 5000 оснований молекул ДНК, возникает
1000 одиночных и 10–100 двойных разрывов, каждый из ко торых
может стать причиной возникновения аберраций хромосом.
Репарация ДНК — постоянный автоматический процесс самовосстановления. При низких дозах радиационного воздействия
репаративные программы работают достаточно безошибочно,
при высоких начинаются сбои: возрастает количество ошибочных
и неполных репараций, ДНК становится чувствительной к действию активных продуктов собственного обмена веществ (метаболических оксирадикалов) и к действию внешних генотоксических
агентов (феномен «радиационно-индуцированной нестабильности генома»). Потомки клеток с такими нарушениями приобретают
склонность к неограниченному росту («злокачественным новообразованиям») через активацию сигнальных каскадов и индукцию
целого ряда генов. Среди них, в первую очередь, индуцируются
гены раннего (c-jun и Egr-1) и позднего ответа (фактор некроза
152
опухолей TNF-α и PDGF-α), осуществляется активация интерлейкина IL-1 и онкогенов (c-myc и K-ras). Как правило, развитие
клинически диагностируемых опухолей после воздействия ионизирующих излучений происходит не сразу, а после долгого латентного периода. Для разных опухолей даются разные оценки: 7–10
лет для лейкемии, 10–15 лет для остеосарком, 27 лет для опухолей
Радиационно-индуцированные изменения липидов заключаются в
образовании липидных радиотоксинов в ходе цепных реакций пере-
кисного окис ления липидов до свободных радикалов ненасыщенных жирных кислот и перокси дов (гидропероксидов, эпоксидов,
альдегидов и кетонов). Липидные радиотоксины обнаруживаются
в облученной биологической ткани (особенно в больших количествах в печени, крови, тонком кишечнике, се менниках, почках,
желудке) уже в первые часы после воздействия облучения. Перекисное окисление мембранных липидов приводит к изменению
их конформации, появлению новых фосфолипидов и образованию сшивок, нарушению липидно-белковых отношений. Это отражается в изменении протекания биоэнергетических процессов,
нарушении биогенеза мембран, метаболических взаимодействий
различных клеточных компартментов и межклеточных взаимоотношений, процессов ионной про водимости и регуляции химизма
живой клетки вплоть до уровня, приводящего к клеточной гибели.
Радиационно-индуцированные изменениях углеводов, несмотря на
свое незначительное содержание в организме (0,2–2%), также вносят свой отрицательный вклад в формирование патогенетических
состояний целостного организма. Хотя в целом разрушение молекул углеводов в облученном организме не является решающим
драматическим событием в цепи лучевых реакций. Воздействие
ионизирующих излучений на углеводы на первона чальном этапе
связано с отрывом атома водорода от кольца углеводной молекулы и образованием свободных радикалов, а затем — перекисей.
Некоторые продукты радиационно-индуцированного распада
углеводов (например, метилглиоксаль) способны ингибировать
синтез ДНК и белка и тем самым оказываются вовлеченными в
процессы подавления клеточного деления.
153
14.2. Эффекты ионизирующих излучений
на клеточном уровне
Под влиянием ионизирующих излучений наблюдается каскад
реакций, опосредующих извращение и нарушение роста клеток,
особенно деления клетки, ее дыхания, нуклеинового обмена,
полностью или частично инактивируются ферменты, витамины и
гормоны, происходит «поломка» хромосом. Многие бесспорные
доказательства описанного выше действия получены in vitro и на
тканевых культурах. Эффекты ионизирующего излучения в живом
организме, разумеется, не представляют собой простой суммации
первичных лучевых изменений клеток и тканей, а обусловлены
реакциями сложных взаимодействий нейроэндокринных регуляторных и защитных систем, которые уже вскоре проявляются
в виде репаративных и компенсаторных процессов. Нет нужды
доказывать, что на лучевое воздействие отвечают не отдельные
молекулы или каждая клетка порознь, а организм в целом. Вместе с тем познание вопросов лучевого эпигенеза следует начинать
именно с клеточной патологии.
Важнейшим лучевым эффектом является гибель клеток. Различают две основные ее формы: репродуктивную (митотическую)
и интерфазную (немитотическую).
Первая форма (репродуктивная) и наиболее распространенная
непосредственно связана с процессом деления клетки и определяется как потеря клеточной способности к неограниченному размножению. Термин «репродуктивная гибель» применяют и к клеткам, способным после воздействия облучения к ограниченному делению, но дающим стерильное потомство. Такие клетки, несмотря
на частичное сохранение своих морфологических, физиологических и биохимических функций, также считаются погибшими.
Вторая форма гибели клетки (интерфазная) наступает до вступ-
ления клетки в митоз. Молекулярный механизм интерфазной гибели до конца не определен. Считают, что радиочувствительность
таких клеток повышается вследствие накопления в цитоплазме
гидролитических ферментов или их активации, приводящей к деградации ДНК. Параллельно с этим идет разрушение лизосомальных мембран, что приводит к выходу гидролитических ферментов
(протеаз и нуклеаз), повреждениям в молекуле ДНК, нарушению
структуры хроматина и пикнозу ядер.
Учитывая особенности воздействия ионизирующих излучений
на макромолекулярные соединения (белки, липиды, углеводы,
154
воду), входящие в состав жизненноважных клеточных структур,
к наиболее опасным последствиям облучения для жизнедеятельности клетки относятся:
процессы повреждения ядерных структур клетки (нарушение
клеточного цикла, повреждения (разрывы) ДНК и возникновение
хромосомных аберраций, нарушение синтеза ДНК и остановка
деления, нарушение синтеза клеточных белков, развитие мутаций
и их накопление с сохранением и передачей последующим клеткам при их делении, запуск механизма бесконтрольного деления
в соматических клетках (клонообразование), угнетение процессов
репарации и их эффективности);
процессы нарушения проницаемости цитоплазматической мем-
браны клетки;
процессы нарушения энергетического обмена за счет поврежде-
ния митохондриальных структур и молекул АТФ;
процессы радиационного автолиза эндоплазматической сети и
как результат этого нарушение функций рибосом (тРНК, мРНК,
рРНК) и синтеза белка;
процессы цитолиза лизосом и активация внутриклеточных гид-
ролитических реакций.
Развитие всех этих процессов по вышеозначенному сценарию зависит от уровня поглощенной дозы, ее распределения во
времени (мощности дозы), вида и длительности радиационного
воздействия, а также стадии клеточного цикла, на которой находится сама облучаемая клетка. Самыми радиочувствительными
являются клетки, находящиеся на стадии собственно митотического деления и на стадии перехода G
чувствительными выступают G
-фазы в S-период. Наименее
1
-период и поздний этап S-перио-
2
да. Однако при воздействии ионизирующих излучений с высокой
ЛПЭ (быстрые нейтроны и α-частицы) различия в радиочувствительности клеточных популяций, находящихся на разных стадиях
клеточного цикла, нивелируются: практически все фазы жизненного цикла выступают в роли критических.
В зависимости от дозы облучения общая биологическая реакция клетки может проявляться в виде:
временной задержки клеточного деления («радиационный блок
митозов»);
репродуктивной гибели клетки;
интерфазной гибели клетки.
Существуют различия в плане значимости для всего организма
между эффектами ионизирующего излучения в соматических и
155
половых клетках. Радиационно-индуцированная мутация в соматической клетке может привести к нарушению функционирования или даже к гибели этой клетки или же ее потомков, но, поскольку целостный организм представляет собой систему органов
и тканей, состоящих из миллионного количества клеток, влияние
одной или нескольких мутаций на жизнедеятельность самого
организма не будет столь существенным. Мутации же, происходящие в половых клетках, оказывают, как правило, губительное
влияние на потомство. Вместе с тем, учитывая ракообразующую
роль воздействия ионизирующих излучений, не стоит пренебрегать влиянием соматических мутаций.
15. ЭФФЕКТЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
НА ОРГАННОМ УРОВНЕ
При переходе от изолированной клетки к ткани, органу, системе органов и организму все радиационные явления усложняются. Для того, чтобы предсказать последствия облучения на весь
организм, необходимо учитывать ряд факторов. Во-первых, радиочувствительность тканей, органов и их систем, существенных
для выживания организма, так называемых критических систем.
Во-вторых, величину поглощенной дозы облучения, ее распространение в пространстве (длительность облучения) и во времени
(мощность дозы облучения). Каждый в отдельности и в сочетании
друг с другом эти факторы определяют:
– тип лучевых реакций (местные или локальные, общие);
– специфику и время проявления лучевых реакций (непосредс-
твенно после облучения, вскоре после облучения или в отдаленные сроки);
– значимость лучевых реакций для организма (соматические и
генетические; потенциальные или летальные);
– характер проявления лучевых реакций (лучевые синдромы,
стохастические или детерминированные эффекты).
Ниже рассмотрены непосредственно соматические последствия действия ионизирующих излучений на отдельные органы и
системы органов.
15.1. Кровь и кроветворные органы
Кроветворная система, представленная красным костным мозгом, лимфатическими узлами, селезенкой и другими лимфоидны-
156
ми органами, обладает высокой радиочувствительностью в силу
значительной пролиферативной активности своих клеток.
Крайне высокой радиочувствительностью обладает красный
костный мозг, его клетки теряют способность к нормальному
функционированию уже при дозах 0,5–1 Гр. Основное назначение костного мозга — продукция зрелых высокодифференцированных клеток крови. В нормальных условиях гибель или исчезновение каждого клеточного элемента в периферической крови
или в другом участке организма компенсируется образованием
в среднем одной клетки в костном мозге. Под действием ионизирующих излучений в любой клеточной системе обновления
происходят резкие нарушения динамического равновесия между
отдельными пулами, приводящие к тяжелым функциональным
расстройствам в самой системе, а в зависимости от ее значения и в
жизнедеятельности организма. Качественные нарушения в красном костном мозге сводятся к временному прекращению деления
всех клеток независимо от того, какая из них выживет в последующем; гибели молодых, малодифференцированных и делящихся
клеток; изменениям продолжительности процесса клеточного созревания, а также времени жизни большинства зрелых клеток и
скорости притока их в функциональный пул. В силу указанных
выше причин деструктивные изменения клеток костного мозга
можно наблюдать уже в первые минуты после облучения: быстрое
опустошение пула недифференцированных (стволовых или кло-
ногенных клеток) предшественников миелоцитов, тромбоцитов
и эритроцитов, пула делящихся клеток и непролиферирующего
пула дифференцирующих клеток. Уменьшение числа зрелых функциональных клеток крови происходит несколько позднее, когда
их естественная убыль перестает восполняться из-за опустошения
предшествующих пулов.
Структурные и количественные радиационные изменения
клеток периферической системы крови наступают неодновременно — лейкопения предшествует тромбоцитопении, анемия наступает позднее, а панцитопения — лишь в очень тяжелых случаях
лучевого поражения. Причиной данных изменений являются различия в продолжительности цикла созревания, а затем циркуляции в периферической системе разных клеток крови.
Высочайшей радиопоражаемостью в системе кроветворения
выступает лимфоидная ткань: ее радиочувствительность даже
выше, чем радиочувствительность красного костного мозга. Регенерация лимфоидной ткани начинается через 5–7 дней после
157
облучения за счет ретикулоэндотелиальной стромы этой ткани,
обладающей значительной радиорезистентностью.
15.2. Половые клетки и половые железы
Радиочувствительность мужской и женской половой системы
несколько различна, как правило, преобладает в сторону первой,
но все же остается высокой для обеих.
Высокая радиочувствительность мужской половой системы
известна давно: еще в 1903 г. Г. Альберс-Шонбергом была показана радиационная стерилизация яичек кроликов и морских свинок. Вследствие крайне высокой радиочувствительности половых клеток на ранних стадиях развития уже при дозах 0,5–1,0 Гр
у большинства млекопитающих и человека происходит массовое
клеточное опустошение семенников и резкое уменьшение количества сперматозоидов в сперме в течение 1 года. Высокие дозы
2,0–4,0 Гр приводят к развитию стерильности, которая продолжается 2–3 года, а после облучения в дозе 4,0–6,0 Гр наступает
постоянная стерильность. Весьма радиопоражаемой структурой
в семенниках является зародышевый эпителий семенных канальцев, зрелые же сперматозоиды, напротив, более устойчивы и
их способность к оплодотворению сохраняется до тех пор, пока
полностью не истощится запас жизнеспособных зрелых половых
клеток. Относительно малые дозы облучения инициируют мутационные процессы в ядерном аппарате зародышевого эпителия
семенников, которые могут проявляться и у потомства облученных организмов.
Женские половые гормоны предопределяют защитное действие против ионизирующих излучений (их введение повышает
радиорезистентность у кастрированных крыс-самцов), но сами
яичники и яйцеклетки в целом более радиочувствительны, чем
семенники и мужские половые клетки. При равных условиях облучения восстановление генеративной функции в яичниках наступает медленнее, чем в семенниках, хотя гормональная функция яичника нарушается мало.
15.3. Эмбрион и плод
Вопрос об оценке биологического действия ионизирующих
излучений на эмбрион достаточно сложен, т.к. здесь возникают
совершенно новые проблемы. Эмбрион крайне мозаичен и нахо-
158
дится в постоянном развитии. В зависимости от времени закладки, формирования и дифференцировки тех или иных тканей, органов или систем органов любая из них может оказаться крайне
радиочувствительной независимо от ее радиочувствительности во
взрослом состоянии. Поэтому радиочувствительность эмбриона
определяется наиболее чувствительной системой, находящейся в
данный момент в состоянии активного развития.
Степень лучевого воздействия на эмбрион, определяющая степень и характер аномалий плода, зависит от:
– дозы, мощности и длительности облучения;
– срока гестации;
– генетической предрасположенности формирующегося орга-
низма;
– генетических особенностей организма матери.
Выделяют три наиболее радиочувствительных (критических)
периода внутриутробного развития организма: до имплантации
(или период бластогенеза), эмбриональный период, плодный период
(или фетальный). При этом механизм повреждающего действия ио-
низирующих излучений на плод определяется как механизм прямого, а не опосредованного (через организм матери) действия.
Наиболее радиочувствительными выступают зигота и зародыши до имплантации (первые 2 недели у человека). Ответная реакция в этот период реализуется по принципу «все или ничего»,
т. е. зародыш либо погибает, либо, в силу своей повышенной устойчивости и способности к восстановлению, продолжает нормально
развиваться. Большая часть зародышей, поврежденных в период
бластогенеза, а также те, которые образовались из дефектных половых клеток, элиминируется путем спонтанных абортов. По современным данным частота прерывания беременности на этом сроке
составляет около 40% от всех состоявшихся беременностей.
Второй период, с момента имплантации до 12-й недели у человека, является очень ответственным этапом в развитии организма.
Это время, когда происходит закладка и формирование всех жизненно важных органов, зародыш приобретает «взрослый облик».
Лучевое воздействие более 0,25 Гр в этот период вызывает индуцирование пороков развития, уродств. После воздействия такой
дозы рекомендуют прерывание беременности.
Последний период, с 12 недели до момента рождения, значительно менее радиочувствителен, чем первые два, но также достаточно важен для развивающегося организма. В это время происходит его созревание — тонкая дифференцировка органов и тканей,
159
сопровождающаяся быстрым ростом плода. Воздействие ионизирующих излучений на плод во время фетального периода провоцирует развитие фетопатий, для которых не характерны морфологические пороки, как правило, наблюдается задержка роста на
фоне нормального умственного развития. По данным радиоэкологических исследований детей, внутриутробнооблученных изотопами I
131
Чернобыльского выброса, 28% из них относятся к диспансерной группе по показателям физического развития. Кроме
того, такие дети, как правило, имеют несовершенство механизмов
адаптации и противоинфекционной защиты и более чувствительны к воздействию факторов окружающей среды. Высокие дозы в
фетальный период развития могут вызывать развитие лучевой болезни новорожденного и нарушение сроков наступления родов.
15.4. Органы пищеварения
Воздействие ионизирующих излучений на органы пищеварения вызывает развитие так называемого желудочно-кишечного
синдрома, который обусловлен, в первую очередь, высокой радиочувствительностью кишечника и, особенно, его тонкого отдела.
Далее радиочувствительность убывает в следующем порядке: полость рта, язык, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая и
ободочная кишки, поджелудочная железа и печень.
Высокая радиопоражаемость кишечного эпителия связана с
быстрой сменой поколений этих клеток, их физиологическая регенерация происходит непрерывно, и клетки кишечного эпителия
живут в среднем только 5 суток. Облучение прекращает митозы в
криптах, слущивание же старых клеток продолжается в неизменном прежнем темпе. Это резко нарушает равновесие между физиологической убылью и регенерацией, что и приводит к опустошительным деструктивным разрушениям. При средней тяжести
поражения уже через двое суток нарушенный эпителий восстанавливается, при высокой степени тяжести возникают множественные геморрагии, переходящие в очаговые некрозы и язвы.
Морфологические изменения желудка выражены слабее, чем
кишечника. Они сказываются в изменениях клеток желудочных
желез, причем ферментогенные клетки более радиочувствительны, чем обкладочные, в развитии эрозионно-геморрагических
повреждений.
Самый радиорезистентный орган в пищеварительной системе — печень. Непосредственные морфологические изменения в
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]