Радиобиология. Лекция Предмет радиобиологии. История возникновения и развития науки 9
 Скачать 1.3 Mb.
|
|
Рис.3. Схематичное изображение системы обновления клеток крови в организме млекопитающих Под действием ионизирующих излучений происходят резкие нарушения динамического равновесия между отдельными пулами, что приводит к тяжелым функциональным расстройствам и, в конечном счете, может привести к гибели организма. Нарушение клеточного гомеостаза при этом происходит вследствие временной задержки деления клеток, репродуктивной, и интерфазной гибели молодых недифференцированных клеток, изменения продолжительности процессов клеточного созревания, снижения времени жизни зрелых клеток. В результате этих процессов первые три пула начинают опустошаться сразу в ближайшие часы после облучения. Количество зрелых клеток начинает снижаться значительно позднее, когда естественная убыль их перестает восполняться из-за опустошения соответствующих пулов. В соответствии с правилом Бергонье –Трибондо, наиболее высокой радиочувствительностью отличаются молодые, делящиеся клетки. Так показано, что при дозе 6 – 7 Гр электромагнитного ионизирующего излучения, пролиферативную активность сохраняет всего 2-3 стволовых клеток из каждой тысячи клеток красного костного мозга. В результате облучения происходит подавление процесса образования новых клеток и опустошение пулов различных клеточных элементов в соответствии со временем их жизни. Опустошение костного мозга начинается сразу после облучения и продолжается до некоторого минимума, после чего число клеток начинает повышаться вследствие регенерации выживших клеток. Относительное количество выживших клеток, продолжительность опустошения клеточных пулов, интенсивность регенерационных процессов зависят от дозы облучения. На рисунке 4 показана динамика изменения выживших клеток при облучении мышей при Д37. Как видно, при такой дозе облучения на 6-8 сутки в организме остается всего около 10 % стволовых клеток. Через 10 суток после облучения число клеток начинает увеличиваться вследствие размножения выживших клеток. На 16 сутки количество стволовых клеток составляет уже 70 % от числа стволовых клеток необлученного организма. Рис.4. Изменение числа стволовых клеток красного костного мозга после облучения мышей при дозе равной Д 37. Ось абсцисс – время после облучения, ось ординат – доля живых клеток. Характер изменения состава клеток в периферической крови облученного организма определяется временем жизни и радиоустойчивостью зрелых клеток крови. Численность наиболее долго живущих клеток крови- эритроцитов (время жизни более 3 месяцев) снижается очень медленно (рис. 5). Скорость уменьшения числа эритроцитов в периферической крови составляет 1 % в сутки от их общего количества ( 25107 клеток). Такая скорость уменьшения этих клеток обуславливается, в основном, естественной убылью эритроцитов из крови, так эти безьядерные клетки характеризуются относительно высокой радиоустойчивостью. Резкое уменьшение числа гранулоцитов и агронулоцитов в крови после облучения связано с высокой радиочувствительностью этих клеток. При относительно небольших дозах облучения (3-4 Зв) погибают не только молодые, слабодифференцированные клетки в костном мозге, лимфоидной ткани, селезенке, но и зрелые клетки лейкоцитов в составе периферической крови. Как видно из рисунка, через 4-5 суток после облучения, в крови определяется всего около 20 % от общего числа лейкоцитов. Особенно низкой устойчивостью к ионизирующему излучению обладают лимфоциты, а нейтрофилы (гранулоциты) характеризуются относительно высокой устойчивостью. Относительно высокая устойчивость характерна и для тромбоцитов. Экспериментальные кривые, характеризующие обновление тромбоцитов и нейтрофилов, отражают короткую продолжительность жизни этих клеток. Рис. 5. Изменение количества клеточных элементов периферической крови после облучения мышей рентгеновским излучением в дозе равной Д 37. эритроциты; 2 – лейкоциты; 3 – тромбоциты; 4 – лимфоциты; 5 – нейтрофилы Ось абсцисс – время после облучения, ось ординат – доля живых клеток. Таким образом, основная причина опустошения пула зрелых клеток крови, происходящего в ранние сроки после облучения, заключается в резком торможении процессов клеточного деления в красном костном мозге, селезенке, и гибели определенной части радиочувствительных клеток в периферической крови. При дозах облучения до 10 Гр гибель мышей наступает с в интервале 6 – 25 суток. Большая часть животных погибает на 10- 12 сутки после облучения, вследствие патологических процессов, вызванных тромбоцитопенией, гранулопенией, агронулопенией. Основными причинами гибели животных являются инфекционные и геммарогические процессы (см. лучевую болезнь). Животные, пережившие этот период, приобретают большие шансы на выживание, т.к. после этого срока функциональный пул крови начинает наполняться за счет деления выживших клеток. Желудочно-кишечный синдром Причиной гибели млекопитающих животных и человека, при облучении в дозах превышающих 10 Зв, является поражение желудочно-кишечного тракта. Наиболее радиочувствительным органом в системе желудочно-кишечного тракта является тонкий кишечник. После облучения наблюдается опустошение клеток ворсинок и крипт кишечника. Протекающие при этом процессы аналогичны процессам, рассмотренным выше для клеток крови и красного костного мозга, однако, с другими количественными характеристиками. Дегенеративная и регенеративная фазы у клеток кишечного тракта более кратковременны, чем у клеток крови и красного костного мозга. Стволовые клетки желудочно-кишечного тракта дифференцируются и созревают значительно быстрее, чем клетки крови. Так, если среднее время созревания для разных типов клеток крови составляет 3 – 8 суток, то для клеток желудочно-кишечного тракта - всего 42 – 55 часов. При этом стволовые клетки кишечника более устойчивы к облучению, чем стволовые клетки красного костного мозга. Среднелетальные дозы для первой группы клеток составляют D37 = 4-6 Гр, для второй группы - D37 = 1 Гр. В радиационном поражении эпителия кишечника значительную роль играет и интерфазная гибель клеток сразу после облучения. Поэтому опустошение клеток кишечника происходит очень быстро, у мышей, например, крипты тонкого кишечника, опустошаются за 1 – 2 сутки, ворсинки – за 3 – 4 суток. В течение этого срока наблюдается гибель большинства животных при выраженных проявлениях желудочно-кишечного синдрома. При облучении в меньших дозах, вызывающих кроветворный синдром, происходит интенсивное восстановление клеток кишечника, которое полностью заканчивается к 5-6 суткам после облучения. Таким образом, гибель животных при дозах, вызывающих желудочно-кишечный синдром, определяется в первую очередь, опустошением ворсинок и крипт кишечника. Это приводит к нарушению функционирования пищеварительной и выделительной систем, нарушению баланса жидкостей в организме. Все эти процессы сопровождаются поражением кровеносных сосудов, кровоизлияниями и развитием инфекционных процессов. Определить, какой из этих процессов вносит наиболее существенный вклад в летальный исход животного, практически невозможно. Опыты с облучением животных в стерильных условиях свидетельствуют о важной роли инфекционных процессов в гибели животных. Церебральный синдром Действие ионизирующих излучений на клетки центральной нервной системы принципиально отличается от их действия на клетки красного костного мозга и кишечника. При облучении центральной нервной системы практически отсутствуют потери за счет репродуктивной гибели клеток. Как известно, нервная ткань, в основном, состоит из высокодифференцированных клеток, не способных к делению. Соответственно, нервные клетки характеризуются и высокой радиоустойчивостью. Интерфазная гибель нейронов происходит при очень высоких дозах излучения, порядка нескольких сотен Грей. Причем, неизвестно, является ли причиной гибели непосредственное повреждение нервных клеток вследствие облучения, или же гибель клеток опосредована повреждением других систем, в первую очередь, кровеснабжающих сосудов. Таким образом, в радиобиологии человека и животных, выделяют три основных критических органа (систем), ответственных за гибель организма при однократном тотальном облучении. Однако, при других способах и условиях облучения, критическим органом может стать любой орган или любая ткань, поглотившие определенную дозу ионизирующего излучения. С этих позиций рассмотрим радиочувствительность основных органов человека. Радиочувстительность отдельных тканей, органов человека Кожный покров. Клетки кожи активно обновляются и поэтому покровные ткани человека очень чувствительны к действию радиации. Однако, высокая пролифирирующая активность стволовых клеток кожи обеспечивает их высокую регенеративную способность и соответственно, эпидермальные клетки хорошо восстанавливают сублетальные повреждения. Так, значение Dq для этих клеток составляет около 5 Гр, тогда как для кроветворных клеток она равняется всего 0,5 Гр. При однократном облучении рентгеновским излучением кожа человека переносит без видимых симптомов поражения дозы до10 Гр. При более высоких дозах облучения возникают видимые повреждения - дерматиты и язвенные поражения кожи. Органы зрения. Облучение органов зрения млекопитающих относительно невысокими дозами ( до 3 Гр) приводит к возникновению воспалительных процессов в склере и коньюктиве. Более высокие дозы (3-10 Гр) вызывают катарактогенные процессы. Катаракта (помутнение хрусталика глаза) у человека наступает при дозах больше 6 Гр. Особенно опасны в этом отношении нейтронное облучение, эффективность которого в несколько раз выше, чем у рентгеновского и g-излучений. Помутнение хрусталика глаза при облучении является первичным диагностическим признаком для определения поглощенной дозы. Причины образования катаракты при облучении полностью не выяснены. Пищеварительная система. Как отмечалось выше, наиболее радиочувствительным органом этой системы является тонкий кишечник. Поражение клеток тонкого кишечника, в первую очередь, и обуславливает проявление желудочно-кишечного синдрома. Остальные органы пищеварительной системы по убыванию радиочувствительности располагаются в следующем порядке: полость рта, язык, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень. Как видно, наиболее устойчивым органом пищеварительной системы является печень. Так, при однократном локальном облучении печени крыс в дозах до 15 Гр, в клетках не удается обнаружить никаких морфологических изменений. По данным ряда исследователей , значение D0 для клеток печени крыс составляет около 90 Гр. Сердечно-сосудистая система. Влияние ионизирующего излучения на сердечно-сосудистую систему мало изучено. Показано, что морфологические изменения в миокарде обнаруживаются при однократном рентгеновском облучении в дозах 5 - 10 Гр. При дозах 15 -20 Гр происходит образование тромбов в сосудах сердца. Кровеносные сосуды более радиочувствительны, чем мышечная ткань сердца. Даже при относительно невысоких дозах электромагнитного излучения наблюдается эритема кожи, вследствие поражения кровеносных сосудов. Показано, что кровеносные сосуды кожи при дозах 4-10 Гр теряют способность к образованию капилляров. Высокую радиочувствительность кровеносных сосудов обуславливается повреждением наружного слоя сосудистой стенки из-за изменений в структуре белка коллагена. Органы дыхания. Легкие взрослых особей млекопитающих, в т.ч. и человека - стабильный орган с низкой пролиферативной активностью клеток. Поэтому этот орган является относительно радиоустойчивым. Так, при локальном облучении грудной клетки в относительно высоких дозах ( 10-20 Гр) мыши погибают через 100 -150 суток от легочных пневмонитов. LD50/160 для мышей при однократном тотальном облучении составила 13 Гр, при 20-ти кратном фракционированном облучении этот показатель возрастает до 45 Гр. Морфологические изменения в тканях легких при облучении в дозе 20 Гр выявляются через 3 месяца после облучения. Длительность проявления радиационных повреждений обуславливается слабым клеточным обновлением в легочных тканях. Эндокринная система. Железы внутренней секреции состоят из функциональных высокодифференцированных клеток, и соответственно, они характеризуются высокой радиорезистентностью. В то же время, способность к физиологической регенерации этих клеток очень низкая. При тотальном облучении организма, регистрируются нарушения баланса гормонов, в первую очередь, изменяется содержание гормонов щитовидной железы, надпочечников и гонад. Однако, невозможно определить, являются ли эти изменения результатом непосредственного повреждения эндокринных желез или же опосредованно отражают воздействие излучений на другие системы органов и на весь организм в целом. Центральная нервная система. Клетки нервной системы характеризуются высокой устойчивостью к облучению. Реакции нервной системы на облучение проявляются при очень высоких дозах. Так, неврологические симптомы у крыс наблюдаются через 4-5 суток после облучения головного мозга пучком протонов ( диаметр пучка 3 мм) с энергией 200 МэВ при дозе 200 Гр. При меньших дозах ( 10 -150 Гр) дегенеративные морфологические изменения развиваются в течение более длительного промежутка времени. При увеличении диаметра протонного пучка до 5 мм морфологические изменения в ткани мозга более выражены и проявляются быстрее. Экспериментальные факты свидетельствуют об опосредованном механизме радиационного поражения нервной системы, которая обуславливается, в первую очередь, нарушением кровоснабжения ткани вследствие повреждения кровеносных сосудов. Необходимо отметить, что функциональные изменения в центральной нервной системе, например, изменения условных рефлексов, развиваются уже при дозах 0,1 - 1 Гр, но они не определяют конечного исхода лучевого поражения организма. Органы выделения. Количество экспериментальных данных о действии ионизирующего излучения на органы выделения очень мало. Наиболее изученными в этом отношении являются почки, которые относятся к радиорезистентным органам. В экспериментах на различных животных показано, что морфологические и функциональные изменения в них появляются только при дозах более 20 Гр. Эксперименты Т. Филлипса на мышах показали, что при локальном облучении в области почек, LD50/180 составила 24 Гр. Через 16 месяцев этот показатель снизился до 13 Гр. При этом в канальцах и клубочках выявленются дегенеративные изменения, приводящие к почечной недостаточности. Поэтому, при лучевой терапии опухолей брюшной полости, поражение почек является лимитирующим фактором. По некоторым данным, облучение обеих почек в течение 5 недель в дозах выше 30 Гр, может вызвать необратимый хронический нефрит, приводящий к летальному исходу. Органы размножения. Стволовые клетки, из которых образуются мужские гаметы (сперматозоиды) у млекопитающих, характеризуются крайне высокой радичувствительностью. Вследствие у большинства млекопитающих животных и человека уже при дозах 0,5-1 Гр происходит клеточное опустошение семенников. При поглощенной дозе 2-4 Гр наступает полная стерильность мужского организма. Однако, зрелые сперматозоиды, характеризуются очень высокими показателями радиоустойчивости. В опытах на мышах и крысах показано, что даже при облучении в дозах 1000 Гр, структура и подвижность сперматозоидов не изменяется и соответственно, они сохраняют способность к оплодотворению яйцеклетки. Наступающая после облучения относительно невысокими дозами стерильность самцов носит временный характер и ликвидируется по мере восстановления сперматогенеза вследствие размножения сохранившихся жизнеспособных сперматогониев. Стерильность самок млекопитающих наступает при более высоких дозах, чем у самцов ( у крыс –15-20 Гр) и как правило, она необратима. Необратимость стерилизации связано с тем, что образование женских половых клеток у млекопитющих заканчивается в ранние сроки после рождения. Как известно, у взрослого организма яичники не способны к активной регенерации. Поэтому, если при облучении погибли все потенциальные яйцеклетки, то плодовитость организма утрачивается необратимо. Контрольные вопросы и задания. 1. Опишите схему проведения опытов с целью определения значений LD50 при облучении рентгеновскими лучами: а) мышей б) плодовых мушек (дрозофилл) в) дрожжевых клеток г) вируса табачной мозаики 2. Существует закономерность: чем выше в эволюционном отношении вид, тем выше радиочувствительность особей этого вида. Это означает, что представители высокоорганизованных групп живых организмов менее радиоустойчивы, чем особи, принадлещащие к группам с более простой организацией. Как Вы объясните эту закономерность? Особи одного и того же вида живых организмов характеризуются неодинаковой радиоустойчивостью. Выскажите Ваши соображения для объяснения этого факта. Как Вы понимаете термин «Лучевая болезнь человека»? От каких факторов зависит проявление лучевой болезни. При радиационной аварии несколько человек получили различные дозы ионизирующей радиации. Индивидуальная доза для каждого человека неизвестна. По показаниям стационарного дозиметра видно, что индивидуальная доза у разных облученных людей может составлять от 0,1 Зв до 5 Зв. Как можно определить значение этого показателя для каждого облученного через 1- 2 сутки после облучения ? В течение 7-10 суток после облучения человека происходит резкое снижение числа лейкоцитов и лимфоцитов в перефирической крови. В то же время, количество эритроцитов в крови изменяется незначительно. Дайте объяснение этим фактам. Наиболее радиочувствительным органом у млекопитающих является красный костный мозг, наиболее радиоустойчивой – нервная ткань. Почему? Какими причинами обуславливается проявление: а) желудочно –кишечного синдрома; б) церебрального синдрома Перечислите основные ткани, органы по повышению их радиочувствительности, начиная с менее радиочувствительных. 10. Какими факторами обуславливается радичувствительность тканей, органов, систем органов, организмов? Мышей облучали гамма-излучением с мощностью поглощенной дозы 1 Гр/мин в течение одного часа. В каком временном интервале погибнет большая часть облученных животных ? |