Действие ионизирующей радиации на млекопитающих

Действие ионизирующей радиации на млекопитающих

Биологическая эффективность ионизирующих излучений необычайно высока. По глубине и силе воздействия на организмы ионизирующая радиация значительно превосходит все известные виды излучений. К такому выводу пришли еще в начале века, когда впервые подвергали облучению различные виды животных, отдельные органы и ткани. Можно с уверенностью сказать, что практически нет ни одного организма, который невозможно было бы убить ионизирующим излучением, нет такой жизненной функции, которая не подавлялась бы в результате радиационного воздействия. Однако еще на заре радиобиологических исследований было известно, что различные биологические объекты обладают неодинаковой устойчивостью к поражающему действию ионизирующей радиации. Известно также, что одни и те же клетки в зависимости от стадии клеточного цикла и даже различные функции одной и той же клетки различаются по радиочувствительности.

В таблице приведены данные различных авторов по определению величины LD50 у представителей различных филогенетических групп при общем однократном облучении рентгеновскими или гамма лучами.

Таблица 1. Радиочувствительность разных организмов.

Как видим, диапазон устойчивости к радиации в живой природе необычайно широк, Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений микроорганизмы -- дозы, способные вызвать их гибель, составляют сотни и тысячи грей. Для беспозвоночных животных диапазон летальных доз обычно на порядок ниже; для позвоночных они составляют десятки грей, а наиболее радиочувствительны млекопитающие. Таким образом, можно заключить, что по мере усложнения биологической организации объектов их устойчивость к радиации резко снижается.

Анализируя биологические последствия атомного взрыва, ряд авторов отмечали, что среди млекопитающих некоторые представители грызунов -- обитатели пустынь -- обладают парадоксальной для этого класса животных устойчивостью к поражающему действию ионизирующей радиации. С тех пор интерес к поиску высокоустойчивых видов животных неизменно возрастал. Сейчас такой поиск ведется широким фронтом в различных радиобиологических лабораториях. Например, в Московском государственном университете на кафедрах биофизики (в лаборатории радиационной биофизики) и зоологии позвоночных удалось отобрать несколько видов грызунов (сурки, песчанки и др.). более устойчивых к ионизирующей радиации, чем другие млекопитающие, Оказалось, что популяции животных, долгое время проживающих в условиях повышенного фона радиации, приобретают более высокую радиоустойчивость, которая может быть ослаблена при переводе животных в условия лабораторного вивария.

Другое направление в исследованиях природной радиоустойчивости -- поиск и изучение эндогенных, внутренних, факторов, определяющих устойчивость животных к ионизирующей радиации. Оказалось, различия в устойчивости организмов к действию радиации невозможно объяснить какими-либо физическими особенностями поглощения энергии излучения их тканями. Как известно, эффективность поглощения определяется электронной плотностью поглотителя, а она примерно одинакова для всех тканей и организмов. Следовательно, объяснение следует искать не в физических, а в биологических особенностях животных.

Что же происходит с организмом млекопитающих после поглощения энергии ионизирующей радиации? В организме наблюдаются разнообразные морфологические и функциональные нарушения, приводящие к развитию острой или хронической формы лучевой болезни. Она может закончиться гибелью организма или его выздоровлением, хотя в последнем случае нельзя исключить возникновения отдаленных последствий, таких, как рак, катаракта, уменьшение продолжительности жизни и др. Тот или иной исход во многом зависит от условий облучения -- общего или локального, однократного или хронического, а также от дозы и вида излучений, мощности дозы и ее распределения во времени.

Степень устойчивости к ионизирующей радиации может сильно колебаться в пределах одного вида. Уже сам критерий LD50/50 свидетельствует о том, что при определенной дозе облучения половина исследуемых биологических объектов гибнет, а другая остается в живых. Значит, можно говорить об индивидуальных различиях устойчивости внутри однородной популяции. Можно отобрать животных одного вида; линии, пола, возраста, массы тела и убедиться, что после облучения в одной дозе их устойчивость к радиации будет различной.

Однако при любых условиях поглощение организмом млекопитающего дозы ионизирующего излучения до 10 гр вызывает многообразные симптомы острой лучевой болезни. Широкую известность лучевая болезнь получила после трагических событий в Хиросиме и Нагасаки в августе 1945 г. Среди жителей, уцелевших после атомной бомбардировки, наблюдали тяжелое заболевание, сопровождающееся лихорадочным состоянием, выпадением волос, глубоким нарушением картины крови поражением эпителия кишечного тракта и др. Потребовалось несколько лет, чтобы доказать связь этого заболевания с поражающим действием ионизирующих излучений. Характер лучевой болезни у человека был описан во многих странах врачами и биологами, спасавшими жизнь людей, пострадавших при авариях ядерный реакторов, когда происходило облучение обслуживающего персонала, а также в результате наблюдений за людьми, получавшими общее облучение в лечебных целях, в частности при терапии лейкозов и др.

Различают следующие степени тяжести острой лучевой болезни, которые зависят от поглощенной дозы: легкая (первая) степень - от 1 до 2.5 гр; средняя (вторая) - от 2.5 до 4 гр; тяжелая (третья) - от 4 до 10 гр; крайне тяжелая (четвертая) - от 10 гр и выше. В развитии острой лучевой болезни отмечаются три периода: формирование, восстановление, исход и последствия. Кроме того, они зависят от того, облучено ли все тело или лишь часть его, а также какие участки тела. Наиболее чувствительны к облучению костный мозг, часть кишечника, селезенка и другие ткани.

Обычно животные, облученные в дозе 5 -- 10 гр, в среднем живут (за некоторым исключением) от нескольких дней до нескольких недель. Лучевой синдром в этом диапазоне доз облучения назван «костномозговой» или «кроветворный», ибо решающее значение в его исходе имеет поражение кроветворной системы организма, в первую очередь костного мозга. В результате глубокого торможения процессов клеточного деления происходит опустошение костного мозга. На исход лучевой болезни существенно влияет способность кроветворных органов к восстановлению, которое зависит от количества сохранившихся стволовых клеток.

В интервале доз от 10 до 100 гр средняя продолжительность жизни млекопитающих практически не зависит от величины поглощенной дозы и составляет в среднем 3,5 сут. Эффект независимости средней продолжительности жизни от величины дозы облучения получил название «3,5-дневный эффект», а возникающий лучевой синдром -- «желудочно-кишечный». Летальный исход этого синдрома связан с поражением слизистой кишечника и желудка, высокой чувствительностью к радиации быстро делящихся эпителиальных клеток, оголением ворсинок.

Облучение в дозах, превышающих 100 гр, приводит к гибели млекопитающих, наступающей в первые несколько дней или даже несколько часов. У гибнущих животных наблюдают явные признаки поражения центральной нервной системы, поэтому этот лучевой синдром называют «церебральный». Происходит резкое подавление жизнедеятельности нервных клеток, реакция которых на облучение принципиально отличается от реакции костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь.

Если поглощенная доза достигает 1000 гр и более, животные гибнут сразу же «под лучом». Механизм такого поражения может быть связан с тем, что возникают массовые структурные поражения макромолекул. Иногда лучевой синдром, вызванный облучением в таких высоких дозах ионизирующей радиации, называют молекулярной смертью.

В ответных реакциях организма на действие ионизирующей радиации условно можно выделить три последовательно развивающиеся во времени стадии: физические реакции, биофизические процессы и общебиологические изменения. Физическая стадия -- поглощение энергии, ионизация и возбуждение атомов и молекул, образование радикалов -- происходит в течение микро- и миллисекунд. Биофизические процессы -- внутри- и межмолекулярный перенос энергии, взаимодействие радикалов друг с другом и с неповрежденными молекулами, внутримолекулярные изменения -- происходят в течение секунд -- миллисекунд. Общебиологические изменения в клетке и организме -- образование стабильных измененных молекул, нарушение генетического кода, транскрипции и трансляции, биохимические, физиологические и морфологические изменения в клетках и тканях, иногда заканчивающиеся гибелью организма, могут протекать в течение минут -- суток или растягиваться на годы.

Установлено, что разные органы и ткани сильно различаются по своей чувствительности к ионизирующей радиации, а также по роли в лучевой патологии и конечном исходе болезни. По морфологическим изменениям их радиочувствительность располагается (по степени убывания чувствительности) в такой последовательности:

органы кроветворения;

половые железы;

слизистые оболочки, слюнные, потовые и сальные железы, волосяные сосочки, эпидермис;

желудочно-кишечный тракт;

печень;

органы дыхания;

железы внутренней секреции (надпочечники, гипофиз, щитовидная железа, островки поджелудочной железы, паращитовидная железа);

органы выделения;

мышечная и соединительная ткани;

соматические костная и хрящевая ткани;

нервная ткань.

Органы кроветворения наиболее радиочувствительны, поражение костного мозга, тимуса, селезенки, лимфатических узлов - одно из важнейших проявлений острой лучевой болезни. Значительные морфологические и функциональные нарушения наблюдаются во всех кроветворных органах, причем изменения в системе крови представляется возможным обнаружить вскоре после действия радиации и даже при относительно небольших дозах облучения.

Обычно процесс клеточного опустошения подразделяют на три стадии. Первая, длящаяся около 3 ч, характеризуется относительным постоянством содержания клеток в кроветворных тканях. Вторая стадия охватывает интервал времени от 3 до 7 ч после облучения, для нее характерно резкое и глубокое опустошение костного мозга и лимфоидных тканей (количество клеток в костномозговой ткани может снижаться более чем наполовину). В третьей стадии скорость клеточного опустошения замедляется и дальнейшее уменьшение количества клеток происходит в костном мозге в результате репродуктивной гибели, а также продолжающейся дифференцировки части клеток и миграции их в кровь. Длительность течения третьей стадии пропорциональна дозе облучения.

Лимфоидная ткань обедняется клеточными элементами раньше, чем ткань костного мозга. Число нейтрофилов при одной и той же дозе облучения снижается медленнее, чем число лимфоцитов. При лучевой патологии наблюдаются морфологические изменения белой крови, гиперсегментирование, фрагментация ядер. Лейкоциты набухают, увеличиваются их размеры и зернистость, накапливаются пигменты, структура ядра разрыхляется и т.д. Вслед за снижением числа нейтрофилов уменьшается число тромбоцитов, что приводит к увеличению времени свертывания крови. Клетки крови и ее плазма обладают сравнительно высокой устойчивостью к действию ионизирующей радиации. Биохимические сдвиги в крови облученных животных отчетливо выражены лишь в разгар лучевого поражения, оставаясь на начальных этапах поражения малозаметными. Кровь теряет постепенно способность снабжать ткани достаточным количеством кислорода, и в результате гипоксии организм погибает.

Наиболее существенное в лучевых изменениях желудочно-кишечного тракта -- быстрое и глубокое опустошение тканей. Так, клеточное опустошение в кишечнике крипт уже завершается на первые-вторые сутки, а ворсинок -- на третьи-четвертые сутки после облучения мышей. Если облучение производится в небольших дозах, то уже на пятые сутки можно наблюдать восстановление клеточного эпителия. Для желудочно-кишечного синдрома характерен следующий комплекс нарушений, определяющих гибель организма: поражение эпителия, деструкция крипт и ворсинок, инфекционные процессы за счет кишечной флоры, закупорка и поражение кровеносных сосудов, нарушение баланса жидкостей и электролитов, изменение активного транспорта, возрастание активности ферментов автолиза, изменение других ферментативных процессов, снижение проницаемости кишечника для питательных веществ. Нарушения в желудочно-кишечном тракте развиваются в соответствии с тяжестью лучевого поражения, являясь в отдельных случаях даже причиной гибели организма при костномозговом синдроме.

Центральная нервная система -- наиболее радиоустойчивая из всех критических систем. Ее решающая роль в летальном исходе лучевого поражений проявляется при действии массированных доз ионизирующей радиации. В ответ на облучение ткань мозга реагирует как единая система: прямые поражения нейронных структур и расстройства циркуляции, связанные с поражением стенок кровеносных сосудов, обычно сопутствуют друг другу. Повреждения капиллярных сосудов проявляются в виде набухания эндотелиальных клеток. В отличие от зрелой нервной ткани мозг молодых животных более радиочувствителен, чем другие ткани организма. Отмечают, что облучение плода в утробе матери в сравнительно невысоких дозах приводит к полному разрушению целых его отделов. Высокая радиочувствительность нервной ткани эмбриона объясняется общей закономерностью, заключающейся в том, что в зависимости от времени формирования и дифференцировки органов и тканей в онтогенезе любые из них становятся крайне чувствительными к радиации независимо от их радиочувствительности во взрослом состоянии.

Оценивая биохимические и морфологические изменения ЦНС, следует отметить необычайно большую разницу в радиочувствительности для различных участков, в том числе и для соседних структур однотипных тканей мозга. Это объясняется тем, что наиболее радиочувствительны те микроструктуры, которые в момент облучения находятся в активном функциональном состоянии. Наиболее значительные изменения претерпевают сосудистые и секреторные условно-рефлекторные реакции, в меньшей степени -- двигательные.

Нарушенная деятельность эндокринной системы приводит к глубоким изменениям регуляторных биохимических процессов, иммунобиологических и нейровегетативных реакций, к расстройству гемодинамики, терморегуляции, извращению регуляции и деятельности многих органов и систем.

К наиболее радиочувствительным органам эндокринной системы относятся половые железы. Другие железы внутренней секреции менее чувствительны, располагаясь по мере возрастания радиоустойчивости (по морфологическим признакам) в такой последовательности: надпочечники, гипофиз, щитовидная железа, островки поджелудочной железы и, наконец паращитовидная железа. Радиоустойчивость этих желез связана с тем, что, их ткани состоят из высокодифференцированных функциональных клеток, практически не способных к физиологической регенерации.

Лучевое поражение семенников сопровождается биохимическими изменениями - снижается содержание нуклеиновых кислот, АТФ, креатина, холестерина, аскорбиновой кислоты, полисахаридов, угнетается сперматогенез. Облучение женских половых желез приводит к нарушениям менструального цикла, изменениям течения беременности, преждевременным родам, мертворождению, патологическому развитию эмбрионов, различным генетическим аномалиям потомства. Отметим, что если семенники обладают значительной восстановительной способностью, то яичники у взрослой самки полностью лишены этой способности. Поэтому у самок в отличие от самцов стерильность обычно необратима.

Учитывая значение печени как «центральной биохимической лаборатории», ее барьерные функции, местонахождение на пути оттока крови из кишечника и т. д., можно понять причину того большого внимания, которое уделяют радиобиологи этому органу. Исследования показали, что печень высокорадиоустойчива, что связано с ее большой регенераторной активностью. Несмотря на многочисленные и глубокие биохимические изменения в печени облученных животных, все же не они причина непосредственной гибели организма.

Сложность оценки радиочувствительности органов дыхания состоит в том, что они содержат клеточные структуры, значительно различающиеся по устойчивости к радиации. Так, хрящевая ткань воздухоносных путей и плевра радиоустойчивы; лимфатическая ткань и сосудистая система легких, а также бронхиолярцый эпителий и клетки, выстилающие альвеолы, радиочувствительны. В результате общего облучения организма в органах дыхания возникают изменения, находящиеся в полном соответствии с развитием клинических и анатомических признаков лучевой патологии.

Ряд органов и тканей условно называют стабильными в связи с их высокой устойчивостью: морфологические, функциональные и биохимические изменения в них после облучения даже в высоких дозах незначительны. Их способность к физиологической регенерации выражена слабо или практически отсутствует. Однако постлучевые изменения стабильных органов и тканей все же вносят известный вклад в общую картину лучевой патологии. Типично стабильный орган -- почки. Обычно поражение почек наблюдается при общем облучении животных в несколько десятков грей. Их высокая устойчивость, вероятно, связана с тем, что обновление почечных клеток либо отсутствует, либо выражено слабо.

Еще более устойчивы к действию ионизирующей радиации мышечная и соединительная ткани. Структурные элементы кожи характеризуются относительно большими различиями в радиочувствительности. Сравнительно высокой радиоустойчивостью обладают костная и хрящевая ткани. Однако в период роста они чувствительны к ионизирующей радиации.

В процессе развития лучевого поражения, особенно в фазе выраженных клинических изменений, резко снижается устойчивость организма к инфекциям: подавляется естественная устойчивость организма к возбудителям инфекционных заболеваний, угнетается приобретенный иммунитет, нарушаются все его формы. Снижение иммунитета при лучевой болезни, угнетение защитных механизмов обусловливаются развивающимися в организме аутоиммунными процессами. Подавление иммунитета в облученном организме представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в основе которого лежит опосредованное действие ионизирующей радиации.

Помимо генетически обусловленных различий, наблюдаемых у объектов из разных филогенетических групп, возможны значительные вариации радиочувствительности у особей одного вида, находящихся в неодинаковых условиях, питания, аэрации, температуры и т.д. Кроме того, степень лучевого поражения организмов связана с возрастом, полом, физиологическим состоянием, интенсивностью различных процессов, активностью метаболических систем и другими факторами.

Человек ежедневно подвергается воздействию ионизирующей радиации. Существует природный радиологический фон, безопасный для нашего организма. При развитии НТП аппараты, создающие повышенный фон распространены повсеместно (начиная от очень распространенных ЭВМ и заканчивая рамками металлоискателей и рентгенологической аппаратурой на таможне и в медицине). Зачастую владельцы животных и ветеринарные врачи подвергаются более сильному воздействию. Происходит это в кабинете рентгенолога, ведь даже выключенный рентгенологический аппарат создает повышенный радиоактивный фон в помещении. Более того, в ветеринарии чаще используются списанные медицинские аппараты, производства прошлого века.

Средняя доза облучения при однократном рентгенологическом обследовании, не велика (порядка гр), но, все же, увлекаться рентгенологией небезопасно. Как видно из вышеперечисленного ионизационное облучение более безопасно для молодых мужчин и менее безопасно для женщин. Более того беременным не рекомендуется, кроме экстренных случаев, подвергаться любому воздействию ионизирующего облучения.