3.4.4. Клеточный уровень
При поглощении высоких доз радиации клетка под микроскопом выглядит в общих чертах так же, как и после воздействия высокой температуры или сильного яда. Немедленных морфологических изменений при дозах менее 1 Гр не обнаруживается. В зависимости от величины дозы они проявляются на 2- 3- и сутки. В цитоплазме после облучения происходит:
изменение вязкости. При малых дозах она снижается, а при больших – повышается;
вакуолизация протоплазмы (особенно в клетках крови и красного клеточного мозга);
повышение проницаемости для электролитов и воды, особенно для калия и натрия;
повышение лучепреломления, что связано с денатурированием белка.
Радиочувствительность клеток в различные стадии клеточного цикла. В процессе митоза происходит распределение хроматина строго поровну между дочерними клетками. Его значение для судьбы облученной клетки очень велико, так как процессы внутриклеточного восстановления к началу митоза полностью прекращаются и все повреждения ДНК, оставшиеся нерепарированными, во время митоза фиксируются и либо приводят клетку (или ее потомков) к гибели, либо сохраняются в наследственном механизме клеток-потомков, снижая их жизнеспособность или проявляясь в виде мутаций. Некоторые группы клеток могут вступать в так называемую G0 -фазу, в которой клетки находятся в покое, или «вне цикла». Митоз и переход из фазы G1 в фазу S – наиболее чувствительные процессы в клетке (см. рис. 25).
Рис.25. Фазы клеточного цикла млекопитающих.
G1 – предсинтетическая фаза; S – синтез ДНК; G2 – постсинтетическая фаза, М–митоз.
Как показали кривые выживаемости, гибель клеток, вызванная облучением, существенно зависит от фазы, в которой клетки подвергались облучению. Клетки в стадии митоза были наиболее чувствительными, а клетки в начале G1-фазы, поздних частях S-фазы и G2-фазы – наименее чувствительными. В начале S-фазы клетки имели промежуточную чувствительность. Однако при воздействии излучения с высокой ЛПЭ (например, быстрых нейтронов и альфа-частиц) различие в радиочувствительности популяций, находящихся в разных фазах клеточного цикла, намного меньше, чем при воздействии излучения с низкой ЛПЭ, например, рентгеновского излучения.
В зависимости от дозы облучения и радиочувствительности клетки на клеточном уровне может происходить временная задержка первого пострадиационного деления, наблюдаемая после облучения в определенном, хотя и достаточно большом, диапазоне доз (для большинства клеток млекопитающих – в пределах 10 Гр), или полное подавление митоза. Эта реакция наступает после воздействия больших доз, когда клетка значительное время продолжает жить, но навсегда утрачивает способность к делению. Вследствие такой необратимой реакции на облучение часто возникают патологические гигантские клетки, иногда имеющие несколько наборов хромосом из-за того, что их редупликация продолжается, а фаза митоза не наступает. Такой вид нарушения митотического процесса называют эндомитозом, он приводит к тому, что в одной и той же неразделившейся клетке содержится несколько наборов хромосом. Напомним, что в таком случае говорят о репродуктивной гибели клеток, или просто о гибели клеток.
При наблюдении за облученными клетками определенного вида было установлено, что их гибель происходит как в процессе первого пострадиационного деления, так и во втором, третьем и четвертом поколениях. Гибель клеток наблюдалась через 70 и затем через 140 часов после облучения исходной клетки соответственно после второго и третьего делений. После облучения дозой 4 Гр примерно в 70% случаев клетки успешно заканчивали первое пострадиационное деление, вероятность деления клеток второго и третьего поколений составляла лишь около 30%, остальные 70% клеток, начав деление, погибали.
Естественно, что повреждения ДНК тесно связаны с мутациями.
Для оценки радиационной опасности НКДАР принял метод удваивающей дозы, т.е. дозы, вызывающей такое же количество мутаций, которое происходит в естественных условиях. Теоретически линейно-беспороговая гипотеза радиационных повреждений наиболее обоснована для цитогенетических нарушений, т.е. появления хромосомных аберраций и точковых мутаций в соматических и половых клетках человека. Расчеты генетического риска с позиции этой гипотезы были проведены Научным комитетом по действию атомной радиации при ООН (НКДАР). Эти расчеты для человека основывались на данных, полученных при облучении мышей в дозах 1–6 Зв после введения ряда поправочных коэффициентов для экстраполяции от мышей на человека (размер генома мыши и человека, различное время созревания половых клеток и периода репродуктивной жизни, разное количество потомства, различная радиочувствительность и др.).
Согласно этим расчетам риск рождения детей с серьезными наследственными дефектами (уродством, умственной недостаточностью, болезнью Дауна и др.) в ближайших двух поколениях, т.е. у детей и внуков облученной достаточно большой популяции людей, был определен как 4–103 Зв. Это значит, что при облучении большой популяции людей в дозе 0,2– 0,1 Зв можно ожидать на 1000 родившихся младенцев в двух поколениях появления не более 1 генетически неполноценного ребенка. Если принять во внимание, что в норме таких детей рождается 4%, т.е. на 1000 их будет около 40, то станет ясно, что риск от дополнительного облучения в малых дозах практически не выявляем.
Гораздо более радиочувствительный тест на малые дозы облучения – появление хромосомных аберраций в соматических клетках организма (цитогенетические изменения). В растительном мире выведен особый сорт традесканции, у которой очень чувствителен к атомной радиации локус, кодирующий синтез красного пигмента. Если такое растение облучать в малых для него дозах (1–0,5 Зв), то в волосках соцветия появляются красные клетки, свидетельствующие о прошедших мутациях в соматических клетках. Количество таких клеток пропорционально дозе облучения. Чувствительность такова, что позволяет обнаружить отчетливый эффект при дозах 0,2–0,1 Зв. Однако, несмотря на эти мутации, растение растет и развивается нормально; ни о каком повреждающем действии радиации на организм в целом при этих дозах говорить не приходится.
Семена растений более радиоустойчивы. Дозы в 2–5 Зв являются для них малыми. При облучении в дозе 5 Зв воздушно-сухих семян кукурузы наблюдается стимуляция развития, на 15–20% больше наращивается вегетативной массы, увеличиваются количество генеративных органов и урожай в целом на 10–13% по сравнению с контрольными, не облученными растениями. В то же время, если наблюдать молодые проростки цитогенетическими методами, то в тканях корешков, точек роста обнаруживается повышение хромосомных аберраций.
Известно, что многие клетки с хромосомными аберрациями нежизнеспособны, они погибают, элиминируются, замещаются новыми делящимися клетками. Такая же картина наблюдается у животных и человека. При малых дозах облучения (0,1–0,01 Зв) легко обнаружить повышенное содержание хромосомных поломок в лейкоцитах крови, в делящихся клетках тимуса, эпителиальных тканях. Большинство таких клеток элиминируется, гибнет.
Здесь следует отметить, что всегда в норме ткань содержит какое-то количество хромосомных аномалий (от 0,1 до 2%). Для нормального существования ткани, по-видимому, необходимо постоянное отмирание отдельных клеток. Известно, что в ткани тимуса взрослого животного погибает 10–15% клеток. Постоянно гибнут лимфоциты крови. За 2 года их популяция полностью возобновляется за счет поступающих в кровь молодых лейкоцитов. Следовательно, для нормального существования, развития организма необходима гибель отдельных клеток тканей, необходимо и наличие спонтанно возникающих хромосомных аберраций, ведущих к этой гибели. Отсюда естественно допустить, что небольшое их возрастание при облучении в малых, стимулирующих развитие дозах будет отражать (до некоторого предела) не вредное действие радиации, а благоприятное для организма в целом.
Из сказанного следует, что наличие хромосомных аберраций у популяции, облученной малыми дозами, может служить надежным тестом для суждения о дозе, полученной организмом (биологическая дозиметрия), но их нельзя использовать в качестве критерия риска, вреда, нанесенного популяции при этих дозах.