Материалы к теме Биологическое действие ИИ. Биологическое действие излучений
 Скачать 333.12 Kb.
|
|
http://profbeckman.narod.ru/MED9.htm БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ Знание закономерностей биологического действия ионизирующих излуче- ний необходимо для обоснования медицинских мероприятий при радиационных поражениях и для регламентирования радиационных воздействий на человека, оказавшегося в сфере воздействия излучений при работе с их источниками, в не- благоприятной экологической обстановке и т.п. Природа ионизирующих излуче- ний обусловливает множественность и разнообразие как самих первичных повре- ждений, так и их проявлений на различных уровнях организации живого. Значи- мость этих повреждений и проявлений неодинакова. Отсюда присущее радиобио- логии стремление выделить каждый раз критические, ведущие события, опреде- ляющие конечный эффект. 1. МЕДИЦИНСКАЯ РАДИОБИОЛОГИЯ 1.2. Некоторые понятия и термины Ионизирующее воздействие фотонов (рентгеновское и гамма-излучение) на биологический материал опосредованно; сами по себе они не могут химически или биологически повредить клетку. Фотоны взаимодействуют с атомами или мо- лекулами, например, с молекулами воды, что приводит к образованию высокоак- тивных короткоживущих свободных радикалов, которые проникают в критические структуры клетки, такие как ДНК и, возможно, мембраны, и разрушают химиче- ские связи. Чувствительность разного биологических материалов к действию ионизи- рующего излучения существенно различно. Радиочувствительность и радиорезистентность – понятия, характери- зующие степень чувствительности животных и растительных организмов, а также их клеток и тканей к воздействию ионизирующих излучений. Чем больше возни- кает изменений в ткани под влиянием радиации, тем ткань более радиочувстви- тельна, и, наоборот, способность организмов или отдельных тканей не давать па- тологических изменений при действии ионизирующих излучений характеризует степень их радиорезистентности, т.е. устойчивости к радиации. Различные организмы, а также различные органы и ткани всех растительных и животных организмов также обладают разной радиочувствительностью. Наи- большей радиочувствительностью у человека обладают половые клетки (сперма- тозоиды и яйцеклетки) и белые кровяные тельца (лейкоциты). Очень чувствитель- ны к действию ионизирующей радиации костный мозг, селезенка и лимфатические узлы, т.е. органы кроветворения. Весьма чувствителен также эпителий желудочно- кишечного тракта. Изучение деятельности физиологических систем, в частности, нервной, показало высокую чувствительность центральной нервной системы к действию даже малых доз радиации на организм. Костная и мышечная ткани яв- 2 ляются наименее чувствительными к действию ионизирующей радиации, т.е. они наиболее радиорезистентны. Клеточная радиочувствительность - интегральная характеристика клетки, определяющая вероятность ее гибели после радиационного воздействия. Синони- мом радиочувствительности является радиопоражаемость. Термин радиочувст- вительность применяется также и по отношению к тканям, органам, организму в целом, биологическим видам и др. При равной радиочувствительности биологиче- ских объектов степень их поражения определяется, прежде всего, дозой излучения. Важными определяющими факторами острой или поздней реакции тканей являются кинетические характеристики дифференциации и пролиферации, неко- торые ткани могут демонстрировать оба типа токсичности. Острая реакция разви- вается в ходе лечения или спустя несколько недель. К остро-реагирующим тканям относятся: кожа (десквамация), слизистая оболочка кишечника, тромбоциты и лейкоциты. Развитие поздней реакции наблюдается в период от нескольких меся- цев до года, такая реакция свойственна костям, костному и спинному мозгу, таким внутренним органам, как легкие, печень, почки, молочная железа и половые желе- зы. В коже возникает фиброз. 1.3. Прикладное значение радиобиологических исследований Закономерности биологического действия ионизирующих излучений ис- пользуются для обоснования мероприятий по обеспечению радиационной безо- пасности и разработки средств медицинской защиты при лучевых поражениях. Ра- диобиологические данные - основа для регламентации радиационных воздействий при использовании источников ионизирующих излучений в науке, в медицине, технике, сельском хозяйстве и т.п. Эти аспекты входят в компетенцию научной дисциплины – радиационной гигиены. 2. ЛУЧЕВЫЕ ПОРАЖЕНИЯ Радиация по самой своей природе вредна для жизни. Малые дозы облучения могут “запустить” не до конца еще изученную цепь событий, приводящих к раку или генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма. Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, обыкновенно проявля- ются в течение нескольких часов или дней. Раковые заболевания, однако, прояв- ляются спустя много лет после облучения, — как правило, не ранее чем через од- но-два десятилетия. А врожденные пороки развития и другие наследственные бо- лезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, по определению про- являются лишь в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и бо- лее отдаленные потомки индивидуума, подвергшегося облучению. Рис.1. Воздействие ионизирующего излучения на ткани организма 3 Заряженные частицы. Проникающие в ткани организма альфа- и бета- частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят (Гамма-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими спо- собами, которые в конечном счете также приводят к электрическим взаи- модействиям. Электрические взаимодействия. За время порядка десяти триллионных секунды после того, как проникающее излучение достигнет соответст- вующего атома в ткани организма, от этого атома отрывается электрон. Последний заряжен отрицательно, поэтому остальная часть исходного нейтрального атома становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией. Оторвавшийся электрон может далее ионизиро- вать другие атомы. Физико-химические изменения. И свободный электрон, и ионизирован- ный атом обычно не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной це- пи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционноспособные, как "свободные радикалы". Химические изменения. В течение следующих миллионных долей секун- ды образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки. Биологические эффекты. Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятилетия после облучения и явить- ся причиной немедленной гибели клеток, или такие изменения в них мо- гут привести к раку. В зависимости от вида излучений, дозы облучения и его условий возможны различные виды лучевого поражения. Это острая лучевая болезнь (ОЛБ) - от внешнего облучения, ОЛБ - от внутреннего облучения, хроническая лучевая бо- лезнь, различные клинические формы с преимущественно локальным поражением отдельных органов, которые могут характеризоваться острым, подострым или хроническим течением; это отдаленные последствия, среди которых наиболее су- щественно возникновение злокачественных опухолей; дегенеративные и дистро- фические процессы (катаракта, стерильность, cклеротические изменения). Сюда же относят генетические последствия, наблюдаемые у потомков облученных ро- дителей. Вызывающие их развитие ионизирующие излучения, благодаря высокой проникающей способности воздействуют на ткани, клетки, внутриклеточные структуры, молекулы и атомы в любой точке организма. Живые существа на воздействие излучений реагируют различно, причем развитие лучевых реакций во многом зависит от дозы излучений. Поэтому целесо- образно различать: 1) воздействие малых доз, примерно до 10 рад; 2) воздействие средних доз, обычно применяемых с терапевтическими целями, которые граничат 4 своим верхним пределом с воздействием высоких доз. При воздействии излучении различают реакции, возникающие немедленно, ранние реакции, а также поздние (отдаленные) проявления. Конечный результат облучения часто во многом зависит от мощности дозы, различных условий облучения и особенно от природы излуче- ний. Это относится также к области применения излучений в клинической практи- ке с лечебными целями. Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п., но особенно сильно - на мла- денцев, детей и подростков. Табл.1. Радиационные эффекты облучения человека. Радиационные эффекты облучения человека Соматические эффекты Генетические эффекты Лучевая болезнь Генные мутации Локальные лучевые поражения Хромосомные аберрации Лейкозы Опухоли разных органов Биологическое действие ионизирующих излучений (альфа- и бета- частицы, гамма- кванты, протоны и нейтроны) в живом организме условно можно подраз- делить на три уровня - молекулярный, клеточный и организменный (системный). 2.1. Молекулярный уровень воздействия При облучении водных растворов даже чистых химических веществ могут наблюдаться чрезвычайно сложные процессы. Тем более это относится к таким сложным молекулам, как белки или нуклеиновые кислоты, которые в результате облучения подвергаются различным химическим или физико-химическим измене- ниям. При физическом взаимодействии ионизирующего излучения с живыми тка- нями в процессе превращения этого излучения в химическую энергию в организме зарождаются активные центры радиационно-химических реакций. Основным не- посредственным результатом поглощения энергии излучения любым веществом, в частности биообъектом, является ионизация и возбуждение его атомов и молекул. При этом образуются «горячие» (высокоэнергетичные) и исключительно реакци- онные частицы – осколки молекул: ионы и свободные радикалы. В дальнейшем происходит миграция поглощенной энергии по макромолекулярным структурам и между отдельными молекулами, разрывы химических связей, образование свобод- ных радикалов и реакции между ними и другими, как уже поврежденными, так и исходными молекулами. При этом возникают молекулы нового, часто чужеродно- го для организма состава. Эти эффекты могут быть следствием поглощения энер- гии излучения самими макромолекулами белков, нуклеопротеидов, структурами внутриклеточных мембран. В этом случае говорят о прямом действии излучения. 5 Поскольку у человека основную часть массы тела составляет вода (порядка 75%), первичные процессы во многом определяются поглощением излучения во- дой клеток, ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химиче- ском отношении радикалов типа ОН - и Н + . В присутствии кислорода образуется также свободный радикал гидроперекиси (H 2 O - ) и перекись водорода (H 2 O 2 ), яв- ляющиеся сильными окислителями. Рис.2. Влияние радиоактивного облучения на молекулу ДНК При радиолизе воды происходит сдвиг кислотно-щелочного баланса, изме- нения в окислительно-восстановительных процессах, приводящие к нарушению обмена веществ в организме. Продукты радиолиза активно вступают в реакцию с белковыми молекулами, часто образуя токсичные соединения. Образовавшиеся исключительно вредные для организма и реакционноспособные перекисные со- единения, запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и по- степенно приводят к разрушению клеточных мембран (стенок клеток и других структур). Это приводит к нарушениям жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом. Повреждение биомолекул химически активными продуктами радиолиза во- ды называют непрямым (косвенным) действием излучения. В зависимости от величин поглощенной дозы и индивидуальных особенно- стей организма, вызванные изменения могут быть обратимыми или необрати- мыми. 6 Прямое действие ионизирующего облучения может вызвать непосредствен- но гибель или повреждение (обратимое или необратимое) клеток организма. В дальнейшем под действием физиологических процессов в клетках возникают функциональные изменения, подчиняющиеся уже биологическим законам жизни и гибели клеток, и отклонения в жизнедеятельности организма. Из многих начальных молекулярных повреждений наибольшее значение придают повреждениям уникальных структур ядерной ДНК, а также внутрикле- точных мембран. Перечисленные процессы осуществляются в три последователь- но протекающие стадии: физическую, физико-химическую и химическую в течение чрезвычайно короткого промежутка времени (в пределах 1 миллисекунды) и яв- ляются общими для действия излучений как на живую, так и на неживую материи. Последующая биологическая стадия - вторичные, (радиобиологические), эффекты на всех уровнях организации живого, занимает значительно большее время, про- должается иногда в течение всей жизни (Табл.2). Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), представляющие глав- ную составную часть наследственного вещества высших организмов, имеют ните- видную форму в виде двойных спиралей. При облучении нити ДНК резко скручи- ваются, образуются водородные мостики между различными нитями ДНК, нару- шается спиральное строение молекулы; особенно характерно разрушение двойных спиралей ДНК, скручивание или внутримолекулярная полимеризация (образова- ние молекулярных сеток), раскрытие двойных спиралей, разветвление и т. п. Мо- лекулярный вес, так же как и радиус спиралей ДНК, изменяется в зависимости от величины дозы облучения, а также в зависимости от мощности дозы излучения. Табл. 2. Основные стадии в действии излучений на биологические системы Стадия Процессы Продолжительность стадии Физическая Поглощение энергии излучения; образование иони- зированных и возбужденных атомов и молекул 10 –16 - 10 -15 с Физико- хими- ческая Перераспределение поглощенной энергии внутри молекул и между ними, образование свободных ра- дикалов 10 -14 - 10 -11 с Химическая Реакции между свободными радикалами и между ними и исходными молекулами. Образование широ- кого спектра молекул с измененными структурой и функциональными свойствами. 10 -6 - 10 -3 с Биологическая Последовательное развитие поражения на всех уров- нях биологической организации от субклеточного до организменного; развитие процессов биологического усиления и процессов восстановления. Секунды - годы 7 2.2. Клеточный уровень воздействия Клеточный уровень воздействия включает в себя все нарушения и процессы, обусловленные изменениями функциональных свойств облученных клеточных структур. Наиболее опасными повреждениями клетки являются повреждения ме- ханизма митоза и хромосомного аппарата Количество клеток с такими поврежде- ниями в облученной популяции находится в прямой зависимости от дозы облуче- ния, блокирования процессов физиологической регенерации, жизнестойкости ор- ганизма. Изменения на клеточном уровне приводят к нарушению наследственных структур, угнетению кроветворения, подавлению сперматогенеза, угнетению кро- ветворения т.е., в конечном счете, влияют на весь механизм жизнедеятельности организма многоклеточных и высших животных. Повреждения внутриклеточных структур приводят к изменению, извраще- нию метаболических процессов в клетках, следствием чего является появление но- вых нарушений уже после окончания воздействия радиации. Например, наруше- ния строения нуклеотидов и их последовательностей в ДНК и РНК ведут к дефи- циту необходимых для нормальной жизнедеятельности продуктов матричного синтеза, а также к наработке несвойственных клетке, чужих для нее продуктов. Нарушение структуры ферментов приводит к замедлению ферментативных реак- ций, накоплению аномальных метаболитов, часть которых имеют свойства радио- токсинов. Такой ход событий назван «биологическим усилением». В результате совокупности этих процессов могут возникнуть серьезные нарушения жизнедея- тельности, и даже гибель клетки. С другой стороны, возникшие повреждения мо- гут быть залечены с восстановлением в итоге нормальной жизнедеятельности клетки. Чем выше доза облучения, тем больше возникает первичных повреждений, и тем меньше возможность их полного восстановления. Повреждение и гибель клеток лежат в основе развития поражения тканей, органов и организма в целом при всех видах радиационных воздействий. Метаболизм – 1) то же, что обмен веществ. 2) В более узком смысле – про- межуточный обмен, т.е. превращение определенных веществ внутри клеток с мо- мента их поступления до образования конечных продуктов. Функции обмена веществ в живом организме являются результатом многих взаимосвязанных реакций. Во многих случаях вещества, участвующие в реакциях, настолько изменяются, что можно говорить об образовании нового вещества, ко- торое находится в организме в состоянии подвижного равновесия. В результате прямого и косвенного воздействия излучений не только изменяются сами молеку- лы живого вещества, но в значительной степени меняется также скорость реакций, протекающих с участием ферментов, и наряду с этим нарушается и подвижное равновесие. Указанные явления наблюдаются в живых клетках и тканях. Функции обмена веществ у клеток всей популяции, которые полностью ста- ли стерильными, вначале могут быть в значительной степени сохранены. Такие клетки во многих отношениях еще не отличаются от необлученных. Лишь при очень высоких дозах облучения, порядка 10 5 —10 6 рад, в результате внезапно на- 8 ступающих тяжелых нарушений обмена наступает быстрая гибель как однокле- точных организмов, так и клеток высших организмов. Некоторые радиационно-биохимические изменения появляются уже после воздействия относительно малых доз, другие изменения наступают лишь в резуль- тате воздействия средних или высоких доз излучений. Среди нарушений обмена веществ, возникающих при воздействии ионизирующих излучений, на первое ме- сто следует поставить нарушение самого радиочувствительного субстрата - нук- леиновых кислот. Лучевые поражения в виде угнетения синтеза нуклеиновых ки- слот нельзя рассматривать как непосредственную причину угнетения клеточного деления или разрыва хромосом, которые могут привести к их грубым морфологи- ческим нарушениям, определяемым при митозах после облучения. Нарушения других видов обмена, например углеводного, говорят об его очень низкой радио чувствительности. Изменения углеводного обмена после облучения, в частности угнетение анаэробного гликолиза, становятся заметными лишь после воздействия в дозах порядка 5000 -20000 р.; нарушение клеточного дыхания обычно наблюда- ется в результате воздействия еще больших доз—от 20000 до 100000 р. В клеточных популяциях с митотическим делением клеток после облучения сначала отмечается кратковременное увеличение частоты митозов, а затем паде- ние до определенной минимальной величины. Подобное явление назвали «первич- ным эффектом излучений». Вслед за этим число делящихся клеток снова увеличи- вается при условии, что величина дозы излучений была не очень велика и не все клетки потеряли способность к размножению. Минимальное число митозов и вре- мя их появления зависят от величины дозы излучений. В случае облучения, рако- вых клеток, когда применяются обычные для лучевой терапии дозы, минимальное число митозов большей частью наблюдается через несколько часов. Затем следует медленное повышение их числа, что определяется как «вторичный эффект излу- чений». Для первичного и вторичного эффекта излучений характерны определенные типы хромосомных изменений. При первичном эффекте в клетках, еще сохра- няющих митотическую активность, обнаруживаются преимущественно следую- щие типы хромосомных изменений: пикноз ядра, псевдоамитозы и склеивание хромосом, а также агглютинация хроматина. В противоположность этому при вто- ричном эффекте наблюдаются структурные изменения хромосом. Хромосомные аберрации вторичного эффекта морфологически проявляются в клетках преиму- щественно в виде образования фрагментов и хромосомных мостиков. Механизм хромосомных изменений при первичном и вторичном эффекте различен. Хромосомные изменения, типичные для первичного эффекта, возникают главным образом в тех клетках, которые во время облучения имели митотическую активность и находились в стадии метафаза. У определенного числа этих клеток наблюдаются митозы, частота которых снижается в результате облучения. У дру- гих митотически делящихся клеток, достигших или прошедших стадию метафазы, митозы продолжаются, но в более замедленном темпе. 9 Среди молекулярных повреждений особое место занимает радиационное поражение ДНК, которую часто называют основной мишенью при действии ра- диации на клетки. Структуры ДНК уникальны. Если повреждения молекул других типов могут быть скомпенсированы за счет оставшихся неповрежденными моле- кул белков, полисахаридов и т.п., то в случае ДНК такой путь исключен. Однако, если дело идет о ДНК в неделящихся клетках, повреждение каких-то участков ее цепи может и не сказаться существенно на жизнедеятельности этих клеток. Для делящихся клеток значение повреждения ДНК трудно переоценить. Если в ре- зультате облучения возникли называвшиеся ранее повреждения ДНК, например, двойные разрывы или сшивки, нормальная репликация осуществиться не может. При формировании хромосом повреждения ДНК проявляются возникновением мостов, фрагментов и других типов хромосомных аберраций, многие из которых летальны, поскольку при них невозможно равномерное распределение генетиче- ского материала между дочерними клетками. Эта форма гибели клеток в митозе получила наименование репродуктивной гибели. Митоз – способ деления клеток, обеспечивающий тождественное распреде- ление генетического материала между дочерними клетками и преемственность хромосом в ряду клеточных поколений. Обычно подразделяется на несколько ста- дий: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза. Часто митозом называет- ся процесс деления не только ядра, но и всей клетки, т.е. включают в него цитото- мию. Количество повреждений ДНК, возникающих в результате облучения, дос- таточно велико. Так, например, при облучении в дозе 1 Гр в каждой клетке чело- века возникает около тысячи одиночных и ста-двухсот двойных разрывов. Каждое из этих событий могло бы иметь фатальные последствия, если бы не существовало системы, способной ликвидировать большинство возникших повреждений ДНК. Существование в клетках механизмов и ферментных систем, обеспечивающих восстановление большинства начальных повреждений ДНК, обусловлено необхо- димостью поддержания стабильности генома, восстановления от постоянно возни- кающих повреждений ДНК в результате воздействия радиационного фона, при- сутствия в среде химических мутагенов, нарушений и сбоев, случайно возникаю- щих в процессе жизнедеятельности клеток. Без таких механизмов организм не достигнет взрослого состояния, не оказавшись жертвой злокачественного образо- вания или каких-то других последствий повреждения генетического материала. Непосредственной причиной репродуктивной гибели клеток являются невосста- навливаемые повреждения ДНК, прежде всего, двойные разрывы цепей и повреж- дения ДНК-мембранного комплекса. Еще одним важным для организма результатом лучевого повреждения ДНК является возникновение наследуемых повреждений генетического материала - му- таций, следствием которых может быть злокачественное перерождение соматиче- ских клеток (клетки тела) или дефекты развития у потомства. Вызванная облуче- нием дестабилизация ДНК, процесс репарации ее повреждений могут способство- вать внедрению в геном клетки или активации онковирусов, ранее существовав- ших в геноме в репрессивном состоянии. При воздействии малых доз облучения 10 эти процессы являются одним из наиболее существенных проявлений повреж- дающего действия радиации. Репарация свойственный клеткам всех организмов процесс восстановления природной структуры ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ее в клетке или под воздействием различных физических или химических агентов. Осуществ- ляется специальными ферментными системами клетки. Другая мишень действия радиации на клетки - внутриклеточные мембраны. Активация под влиянием облучения реакций свободнорадикального перекисного окисления липидов может привести к деструктивным изменениям мембран, к по- ражению мембраносвязанных ферментов, к нарушениям проницаемости мембран, нарушениям активного транспорта веществ через мембраны, снижению ионных градиентов в клетке, нарушениям процесса синтеза АТФ, к выходу ферментов из мест их специфической локализации, поступлению их в ядро и как следствие этого к дезорганизации ядерных структур и гибели клетки. Такой тип гибели клеток на- зывается интерфазной гибелью. По этому типу могут погибать как неделящиеся, так и делящиеся клетки. Другой причиной интерфазной гибели клеток после облу- чения является активация процессов апоптоза, в ходе которого происходит меж- нуклеосомная деградация хроматина, проявляющаяся позднее фрагментацией яд- ра. Радиационно – индуцированный апоптоз часто рассматривается как результат включения программы клеточной гибели. Процессы апоптоза наблюдаются в большинстве погибающих после облучения лимфоидных клеток. Продукты акти- вирующегося под влиянием облучения перекисного окисления липидов являются «радиотоксинами», способными сами по себе оказывать эффекты, сходные с об- лучением. Их возникновение играет важную роль в механизмах развития лучевого поражения при с их образованием дистанционные эффекты облучения. В результате облучения могут наблюдаться следующие основные виды кле- точных реакций: угнетение деления, разные типы хромосомных аберраций и раз- личные летальные эффекты. Угнетение клеточного деления относится к функцио- нальным неспецифическим клеточным нарушениям, носит временный, обратимый характер и может наблюдаться как у одноклеточных организмов, так и у клеток, составляющих ткани высших организмов. Как правило, угнетение клеточного де- ления является результатом воздействия малых доз излучения. При воздействии больших доз клеточное деление полностью прекращается и приводит к беспло- дию. При воздействии разных видов излучений длительность обратимого угнете- ния клеточного деления и процент клеток, у которых деление полностью прекра- тилось, возрастают по мере увеличения дозы излучения. С увеличением дозы из- лучений все большее число клеток теряет способность к размножению или у них временно прекращается процесс деления. Одним из показателей нарушения этой способности клеток к размножению как у одноклеточных, так и у клеток тканей высших организмов является возникновение гигантских форм клеток. Итак, в основе патогенного действия излучений на многоклеточные орга- низмы, включая человека, лежит непосредственное лучевое поражение клеток. Наиболее существенным является повреждение ядерного хроматина, которое час- 11 то приводит к гибели клетки (летальный эффект), либо к возникновению в ней пе- редающейся по наследству мутации. Результатом последней может явиться, на- пример, злокачественное перерождение клетки и развитие через несколько лет но- вообразования (генетический эффект). 2.3. Организменный уровень воздействия Организменный (системный) уровень является результатом биологического воздействия ионизирующего излучения на клетки и органы живого организма, так как деятельность всех их находится в постоянной взаимосвязи и взаимозависимо- сти. Под действием энергии радиоактивных частиц или электромагнитных колеба- ний может происходить образование раневой поверхности или разрыв хромосом. В абсолютном большинстве случаев при этом клетки погибают, но в очень редких случаях, при наличии особых биохимических условий, клетки с поврежденными хромосомами делятся и дают начало новой ткани, не свойственной облученному органу (опухоли). При этом вероятность развития опухоли тем больше, чем больше доза облу- чения на клетку и чем больше клеток подвергалось облучению одинаковой дозой. В результате гибели клеток при прямом действии ткань не справляется со своими функциональными нагрузками и наступает декомпенсация ее функции с клиниче- скими нарушениями, свойственными потери функции облученного органа при других заболеваниях. Следует иметь ввиду, что все ткани обладают регенератив- ной способностью, т.е. способностью к восстановлению клеток на пораженном участке. Скорость регенерации клеток у различных тканей различна. На действие радиации ткани реагируют так же как на любой другой раздражитель: механиче- ский, термический, химический и др. После разрушения клеток ткань начинает ускоренно делить здоровые клет- ки, восполняя утерянные. Однако регенерирующим способностям тканей есть предел. Пока доза облучения разрушает клетки в пределах регенеративных спо- собностей ткани, мы еще не замечаем действие радиации, но как только доза вы- зывает разрушение клеток в количестве, превышающем регенеративные способно- сти ткани, ткань не справляется со своими функциями и начинает проявляться функциональные расстройства - это порог дозы, после которого появляются де- терминированные эффекты. Тяжесть этих эффектов прямо зависит от дозы облу- чения. Эти эффекты проявляются у всех облученных после превышения порога дозы, и для каждого эффекта существует своя пороговая доза. Так, после разового облучения дозой свыше 0,15 Зв у облученных появляется помутнение хрусталика, при дозе облучения свыше 0,2 Зв - стерильность яичников, при дозе более 0,4 Зв - угнетение функции костного мозга. При указанных дозах эти явления могут быть непродолжительными, а при больших дозах они могут носить стойкий характер. При облучении в дозе более 1 Зв развивается лучевая болезнь легкой степени, при дозе 2 Зв - средней тяжести, при дозе свыше 3 Зв - тяжелая форма, при дозе более 4 Зв - крайне тяжелая форма, а доза разового облучения на все тело 6 Зв считается абсолютно смертельной. Все 12 эти детерминированные эффекты, к ним можно отнести еще и лучевые ожоги. Тя- жесть заболевания зависит от облученного органа. Наиболее тяжело проявляются последствия облучения всего тела по сравнению с облучением отдельных частей тела или органов. Поэтому различают облучение местное и общее. Указанные эф- фекты, как уже говорилось, проявляются после определенного порога дозы, и эта концепция биологического действия называется пороговой. Исходя из наличия предела регенеративных способностей тканей, существует зависимость биологи- ческого эффекта действия радиации от времени, за которое получена одна и та же доза облучения. Чем меньше время, за которое получена доза, тем больше отрица- тельный эффект и тяжелее лучевое поражение. Например доза в 2,50 Зв за сутки приведет к развитию острой лучевой болезни средней тяжести, а равномерно рас- тянутая на 50 лет не вызовет никаких изменений, обнаруживаемых современными методами медицинских исследований. Это положено в основу гигиенического нормирования. Суммарное воздействие этих соматических нарушений в деятельности орга- нов и тканей вызывает возникновение очагов повышенной возбудимости в коре головного мозга, что приводит к дискорреляции между нервной системой и желе- зами внутренней секреции и другими системами организма. 2.4 Классификация последствий облучения Классификацию возможных последствий облучения можно представить схе- мой Табл.3. Табл.3. Классификация последствий облучения. 13 Соматические (телесные) эффекты - это последствия воздействия облучения на самого облученного, а не на его потомство. Соматические эффекты делят на стохастические (вероятностные) и нестохастические (детерминированные). К не- стохастическим соматическим эффектам относят поражение, вероятность возник- новения которых и степень тяжести поражения прямо зависит от дозы облучения и для возникновения которых существует дозовый порог. Стохастическими эффек- тами считаются такие, для которых от дозы зависит только вероятность возникно- вения, а не их тяжесть, и отсутствует дозовый порог. 2.4.1. Соматическое детерминированные эффекты Пороговые (детерминированные) эффекты возникают когда число клеток, погибших в результате облучения, потерявших способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором заметно нарушаются функции пораженных органов. Зависимость тяжести нару- шения от величины дозы облучения показана в Табл.4. Табл.4. Воздействие различных доз облучения на человеческий организм. Доза, Гр Причина и результат воздействия (0.7 - 2)·10 -3 Доза от естественных источников в год 0.05 Предельно допустимая доза профессионального облучения в год 0.1 Уровень удвоения вероятности генных мутаций 0.25 Однократная доза оправданного риска в чрезвычайных обстоятельствах 1.0 Доза возникновения острой лучевой болезни 3- 5 Без лечения 50% облученных умирает в течение 1-2 месяцев вследствие на- рушения деятельности клеток костного мозга 10 - 50 Смерть наступает через 1-2 недели вследствие поражений главным образом желудочно кишечного тракта 100 Смерть наступает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы Эти эффекты проявляются лишь при интенсивном однократном или много- кратном облучении, превышающим определенный порог. При этом возникают не- злокачественные локальные повреждения кожи - лучевой ожог (злоупотребление загаром так же приводит к ожогу кожи), катаракта глаз, повреждение половых клеток (кратковременная или постоянная стерилизация) и др. Время появления максимального эффекта так же зависит от дозы: после более высоких доз он на- ступает раньше. Нестохастические эффекты проявляются лишь при высоком или аварийном облучении всего тела и отдельных органов, причем порог возникнове- ния эффекта зависит и от того, какой орган подвергся облучению. Реакция орга- низма на интенсивное облучение приведена в Табл.5. 14 Табл.5. Значение дозы на органы и ткани, при которых возникают значимые не- стохастические (детерминированные) эффекты Орган, ткань Детерминированный эффект Доза, Зв Все тело Лучевая реакция 0,5 Все тело Лучевая болезнь легкой степени 1,0-1,5 Все тело Лучевая болезнь средней степени 2,0 Все тело Лучевая болезнь тяжелой и крайне тя- желой формы 3,0-4,0 Все тело 50% летальность в течение 60 дней 4,0-5,0 Кожа Переходящая эритема, временная эпиля- ция 3,0 Легкие Пневмония 5,0 Легкие Смерть 10,0 Половые железы Кратковременная стерилизация 0,2-1,0 Уровень естественного фона, Зв/год 0,0007- 0,0045 Предельная доза профессионального об- лучения в год (до 1996 г.) 0,05 То же, после 1996 г. 0,02 Эти дозы и эффекты применимы лишь к среднему индивидууму в популя- ции здоровых людей, но никак не к конкретному человеку, реакция которого мо- жет отличаться от средней. Например, у 1% населения может проявиться очень высокая радиочувствительность вследствие врожденных генетических рас- стройств или же других причин, ослабляющих иммунитет организма. Хроническое облучение слабее действует на живой организм по сравнению с однократным облучением в той же дозе, что связано с постоянно идущими про- цессами восстановления радиационных повреждений. Считается, что примерно 90% радиационных повреждений восстанавливается. 2.4.2. Стохастические эффекты Стохастические (вероятностные) эффекты, такие как злокачественные ново- образования, генетические нарушения, могут возникать при любых дозах облуче- ния. С увеличением дозы повышается не тяжесть этих эффектов, а вероятность (риск) их появления. Для количественной оценки частоты возможных стохастиче- ских эффектов принята консервативная гипотеза о линейной беспороговой зави- симости вероятности отдаленных последствий от дозы облучения с коэффициен- том риска около 7 ·10 -2 /Зв. (Табл.6). 15 Табл.6. Число случаев на 100 000 человек при индивидуальной дозе облучения 10 мЗв. Категории об- лучаемых Смертельные случаи рака Несмертельные случаи рака Тяжелые насле- дуемые эффек- ты Суммарный эффект: Работающий персонал 4.0 0.8 0.8 5.6 Все население * 5.0 1.0 1.3 7.3 * Все население включает не только как правило здоровый работающий персонал, но и критические группы (дети, пожилые люди и т.д.) Основными стохастическими эффектами являются канцерогенные и генети- ческие. Поскольку эти эффекты имеют вероятностный характер и длительный ла- тентный (скрытый) период, измеряемый годами и десятками лет после облучения, они трудно обнаруживаемы. К канцерогенным эффектам относятся поражения крови, кроветворных органов, новообразования и опухоли. Генетические эффекты - врожденные физические и психические уродства и ряд других тяжелых заболе- ваний - возникают в результате мутаций и других нарушений в половых клеточ- ных структурах, ведающих наследственностью. Выход обоих эффектов мало зави- сит от мощности дозы, а определяется суммарной накопленной дозой, т.е. он будет выше даже в местностях с естественным повышенным радиационным фоном. Вы- явление и тем более предсказание появления эффекта у отдельного человека прак- тически непредсказуемо. Выход их определяется коллективной дозой, если она со- ставляет не менее 1000 чел. Зв; при значении в первые единицы чел. Зв эффект об- лучения (онкогенные и генетические заболевания) на фоне спонтанных или обу- словленных общетоксическими факторами, выявить невозможно (Табл. 7). Табл. 7. Коллективная доза, необходимая для получения 95% вероятности обна- ружения увеличения частоты развития раковых опухолей Контингент, за- болевание Чел.Зв Период наблюде- ния, лет Контингент, за- болевание Чел.Зв Продолжи- тельность наблю- дения, лет Дети Взрослые Лейкомия 3100 10 Лейкомия 1000 20 Рак щитовидной железы 7000 10 Рак молочной железы 4200 20 Прочие виды рака 3100 10 Прочие виды рака 120000 20 3. Лучевая болезнь Лучевая болезнь возникает при воздействии на организм ионизирующих из- лучений в дозах, превышающих предельно допустимые. У человека возможны молниеносная, острая, подострая и хроническая. Лучевая болезнь проявляется по- 16 ражением органов кровотворения, нервной системы, желудочно-кришечного трак- та и др. Наиболее важным следствием летального повреждения клеток при облуче- нии в высоких дозах является развитие острой лучевой болезни, ОЛБ. В ее патоге- незе ведущая роль принадлежит прямому радиационному поражению клеток кри- тических систем. Основные формы острой лучевой болезни и дозы, после облуче- ния в которых они развиваются, представлены в Табл.8. В зависимости от дозы облучения в роли критических выступают разные системы, что и определяет, ка- кая клиническая форма ОЛБ разовьется после облучения в том или ином диапазо- не доз. Какая именно система оказывается в конкретных условиях критической, зависит как от уровня их радиочувствительности, так и от скорости развития смер- тельных исходов при несовместимом с жизнью повреждении данной системы. Табл.8. Острая лучевая болезнь от внешнего облучения (Клинические формы и степени тяжести) Другими последствиями летального повреждения большого числа клеток являются: хроническая лучевая болезнь, дерматит, пневмония и т.п. Отрицатель- ные последствия облучения в невысоких дозах связаны с нелетальными повреж- дениями клеток, с возникновением передающихся по наследству повреждений ге- нетического аппарата, следствием которых может оказаться возникновение злока- Клиническая форма Степень тяжести Доза, Гр ( ± 30 %) Костномозговая 1 (легкая) 1 - 2 Костномозговая 2 (средняя) 2 – 4 Костномозговая 3 (тяжелая) 4 – 6 Переходная 4 (крайне тяжелая) 6 - 10 Кишечная - “ - “ - “ - 10 – 20 Токсемическая (сосудистая) - “ - “ - “ - 20 – 80 Церебральная - “ - “ - “ - > 80 17 чественных новообразований или генетические аномалии у потомков облученных родителей. Лучевую болезнь можно подразделить на острую и хроническую. Острая лучевая болезнь. Тяжесть течения острой лучевой болезни зависит от дозы облучения: 1. Церебральная форма (свыше 80 грэй смерть на 1-3 сут после облучения) 2. Токсемическая форма (20-80 грэй, смерть на 4-7 сут после облучения). 3. Кишечная форма (10-20 грэй, смерть на 16-18 сут в результате интоксикации продуктами кишечного содержимого). 4. Костно-мозговая (типичная) форма - 1-10 грэй, летальность 50%; 4 стадии в течение этой формы: а) стадия первичной общей реактивности (первые минуты): тошнота, рвота, недомогание, уменьшение АД, нейтрофильный лейкоцитоз, начальные при- знаки лимфопении. б) стадия кажущегося клинического благополучия: субъективное улучшение состояния, усилении лимфопении, нейтропения, снижение количества рети- кулоцитов, тромбоцитов, гипоплазия костного мозга. в) стадия выраженных клинических проявлений: анемический синдром; ге- моррагический синдром; развитие инфекции: пневмония; кишечный син- дром; изменение электролитного баланса г) стадия восстановления Чем больше поглощенная доза радиации, тем раньше наблюдается клиниче- ское проявление и тем оно выраженнее по степени лимфопении и времени ее на- ступления. Хроническая лучевая болезнь. Это общее заболевание организма, развиваю- щееся в результате длительного действия ионизирующего излучения в относи- тельно малых, но превышающих допустимые уровни дозах. Характерно пораже- ние различных органов и систем. В соответствии с современной классификацией хроническая лучевая бо- лезнь может быть вызвана: а) воздействием общего внешнего излучения или ра- диоактивных изотопов с равномерным распределением их в организме; б) дейст- вием изотопов с избирательным депонированием либо местным внешним облуче- нием. В развитии хронической лучевой болезни выделяют три периода: 1) период формирования, или собственно хроническая лучевая болезнь; 2) период восста- новления; 3) период последствий и исходов лучевой болезни. Первый период, или период формирования патологического процесса, со- ставляет примерно 1 - 3 года – время, необходимое для формирования при небла- гоприятных условиях труда клинического синдрома лучевой болезни с характер- 18 ными для него проявлениями. По выраженности последних различают 4 степени тяжести: I – легкую, II – среднюю, III – тяжелую и IV – крайне тяжелую. Все 4 степени являются лишь разными фазами единого патологического процесса. Второй период, или период восстановления, определяется обычно через 1 - 3 года после прекращения облучения или при резком снижении его интенсивно- сти. В этот период можно четко установить степень выраженности первично- деструктивных изменений и составить определенное мнение о возможности репа- ративных процессов. Заболевание может закончиться полным восстановлением здоровья, восстановлением с дефектом, стабилизацией бывших ранее изменений или ухудшением (прогрессирование процесса). Хроническая лучевая болезнь, обусловленная общим облучением, встреча- ется у лиц, подвергающихся воздействию ионизирующей радиации в течение 3–5 лет и получивших разовую и суммарную дозы, превышающие предельно допус- тимые. Одно из ранних проявлений этой формы – неспецифические реакции вегета- тивно-сосудистых нарушений, протекающих на фоне функционального изменения центральной нервной системы с обязательными изменениями в периферической крови. В начале заболевания отмечается лабильность показателей крови, в после- дующем – стойкая лейкопения и тромбоцитопения. Нередко в этот период (докли- нический) появляются симптомы геморрагического диатеза. Больные предъявляют жалобы на общее недомогание, головную боль, повышенную раздражительность, кровоточивость десен, диспепсические расстройства и т. п. Однако в этот период все жалобы носят преходящий характер, а симптомы быстрообратимы. В дальнейшем, если эта стадия не диагностирована и больной продолжает работать в условиях воздействия ионизирующего излучения, происходит форми- рование болезни, проходящей все этапы своего развития. Только динамическое наблюдение за лицами с признаками отдельных симптомов, подозрительных на наличие лучевой болезни, позволяет установить их клиническую сущность и при- чину. При дальнейшем развитии процесса появляются и прогрессируют симптомы общей астенизации организма, нарушение обменных процессов и различные нерв- но-трофические расстройства. Могут наблюдаться симптомы угнетения секретор- ной и моторной функций желудка и кишечника, снижение функции эндокринных желез (особенно половых), трофические нарушения кожи (снижение эластичности, сухость, ороговение) и ногтей. Резко снижается сопротивляемость организма, что способствует возникновению различных инфекционных осложнений. Особенно- стью является возможность развития лейкозов и злокачественных новообразова- ний. 4. Онкология Рак - наиболее серьезное из всех последствий облучения человека при ма- лых дозах. Обширные обследования, охватившие 100000 человек, переживших 19 атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, показали, что пока рак является единственной причиной повышенной смертности в этой группе населения. Неопределенность состоит в том, что почти все данные о частоте заболева- ния раком в результате облучения получены при обследовании людей, получив- ших относительно большие дозы облучения -1 Гр и более. Имеется весьма немно- го сведений о последствиях облучения при дозах, связанных с некоторыми про- фессиями, и совсем отсутствуют прямые данные о действии доз облучения, полу- чаемых населением Земли в повседневной жизни. Поэтому нет никакой альтерна- тивы такому способу оценки риска населения при малых дозах облучения, как экс- траполяция оценок риска при больших дозах (не вполне надежных) в область ма- лых доз облучения. НКДАР ООН в своих оценках опирается на два основных до- пущения, которые пока что вполне согласуются со всеми имеющимися данными. Согласно первому допущению, не существует никакой пороговой дозы, за которой отсутствует риск заболевания раком. Любая сколь угодно малая доза увеличивает вероятность заболевания раком для человека, получившего эту дозу, и всякая до- полнительная доза облучения еще более увеличивает эту вероятность. Рис. 3. Вероятность заболевания раком Второе допущение заключается в том, что вероятность, или риск, заболева- ния возрастает прямо пропорционально дозе облучения: при удвоении дозы риск удваивается, при получении трехкратной дозы - утраивается и т.д. (Рис. 3). НКДАР полагает, что при таком допущении возможна переоценка риска в области малых доз, но вряд ли возможна его недооценка. На такой заведомо "несовершен- ной", но удобной основе и строятся все приблизительные оценки риска заболева- ния различными видами рака при облучении. Относительная среднестатистическая вероятность заболевания раком после получения однократной дозы в один рад ( = 0,01 Гр) рассчитана для равномерного облучения всего тела. На графике, построенном на основании результатов обсле- дования людей, переживших атомную бомбардировку, показано ориентировочное время появления злокачественных опухолей с момента облучения. Видно, что по- сле двухлетнего скрытого периода развиваются лейкозы, достигая максимальной 20 частоты через шесть-семь лет; затем частота плавно уменьшается и через 25 лет становится практически равной нулю. Солидные (сплошные) опухоли начинают развиваться через 10 лет после облучения, но исследователи не располагают пока достаточной информацией, позволяющей построить всю кривую. * - * - * Таким образом, все виды ионизирующих излучений могут вызвать неблаго- приятные химические и биологические реакции организма. Доза поглощенного облучения прямо зависит от типа изучения, его энергии и времени воздействия, пути облучения и химических свойств радионуклидов. Возникновение у человека различных проявлений лучевых поражений не является строго коррелируемой с поглощенной дозой величиной, а зависит от большого набора факторов, в том числе и от состояния организма. При существующих мерах радиационной безо- пасности риск появления стохастических эффектов ничтожен и выявление их на фоне спонтанной заболеваемости нереально. Для отдельного человека предсказать последствия облучения невозможно. |