Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ
Со времени выхода в свет в издательстве «Высшая школа» первого издания рецензируемого труда, написанного профессором С.П. Ярмоненко на основе организованного им курса лекций по радиобиологии на медико-биологическом факультете 2-го МОЛГМИ им. Н.И. Пирогова (ныне — Московский медицинский университет им. Н.И. Пирогова), прошло более четверти века. За это время учебник приобрел характер классического руководства, потребность в котором ощущается не только студентами вузов биологических и медицинских специальностей, но и широким кругом молодых специалистов, интересующихся действием ионизирующих излучений на организм животных и человека.
Второе издание книги удостоено Государственной премии СССР, а третье было издано в 1988 г. на русском и английском языках.
За 15 лет, прошедших со времени последнего, 3-го издания учебника, в науке произошли гигантские изменения, и многие ее достижения нашли свое отражение в радиобиологии, что само по себе требовало написания нового учебника.
Настоятельная необходимость предпринятого переиздания, кроме того, обусловлена важностью правильного восприятия человеком биологических эффектов ионизирующих излучений, являющихся неизбежным спутником прогресса в наступившем столетии.
При написании книги учтены последние данные литературы и оценки авторитетных международных экспертов по всем вопросам общей и молекулярной радиобиологии, изложенные в капитальном четырехтомном «Отчете научного комитета по действию атомной радиации при ООН — 2000», русский перевод и издание которого выполнены при непосредственном участии С.П. Ярмоненко.
В соответствии с духом времени меньше внимания уделено персоналиям, чья деятельность оказалась неподтвержденной в международной науке, практике и жизни. Соответственно преданы забвению многие концепции, претендовавшие на роль всеобъем-
з
лющих гипотез и даже теорий, так и не получившие признания и не способствовавшие прогрессу радиобиологии как научной дисциплины, а иногда даже смещавшие ее на обочину международной науки.
В книге сохранен свойственный профессору С.П. Ярмоненко увлекательный стиль изложения, освещены многие остающиеся дискуссионными вопросы радиобиологии, на некоторые из них предлагаются собственные ответы.
Самостоятельную ценность представляет объемный терминологический глоссарий.
Надеемся, что новое издание учебника будет с удовлетворением встречено читателем.
Академик РАМН Л.А. Ильин
Фактологическая непогрешимость не составляет науку, но является непременной ее основой.
Н. Бор
ВВЕДЕНИЕ
За полтора десятилетия, прошедших со времени последнего, 3-го издания учебника,в России произошли грандиозные события, в связи с чем настоящее издание принципиально отличается от всех предыдущих. Первые три, написанные в одну эпоху (с 1974 по 1988 гг.), отличались друг от друга только добавлением новых научных данных. Сегодня мы живем в новой стране, освобожденной от догматических представлений и условностей советского периода, ограничивавших свободное изложение и восприятие объективной действительности. Это потребовало написания дополнительных глав, а также существенного изменения некоторых прежних разделов книги, исключив из них не подтвержденные жизнью доморощенные теоретические представления.
Кроме того, существенная переработка книги была обусловлена происшедшими в этот же период времени двумя важными для радиобиологии событиями:
гигантской аварией на ЧАЭС, последствия которой могут ощущаться еще многие годы и их адекватное восприятие обществом крайне актуально;
кризисом, переживаемым радиобиологией животных и человека в последние годы, в связи с которым основное внимание оказалось направленным на молекулярные радиобиологические исследования.
В процессе работы над книгой более половины материала серьезно переработано. Пять глав, в том числе главы, посвященные молекулярным механизмам радиобиологических эффектов и комбинированному действию ионизирующих излучений с другими агентами, написаны заново. В частности, рассмотрено современное состояние вопроса о молекулярных механизмах, а также формах и динамике клеточной гибели и репарации после облучения.
К двум частям книги добавлена новая, третья часть, содержащая три новые главы, в которых изложены актуальные вопросы радиационной безопасности. Впервые в рамках учебника представлены данные медицинских исследований последствий радиационных аварий, происшедших в мире, в том числе и на предприятиях атомной промышленности Южного Урала. С учетом появляющих-
ся до настоящего времени псевдонаучных оценок радиологических последствий чернобыльской аварии дан их объективный анализ, опирающийся на большой отечественный научно-практический опыт, а также на мнение авторитетных международных экспертов.
Правильное восприятие взаимосвязанности воздействий ионизирующих излучений и здоровья, определяющим образом зависит от уровня знаний широкой медицинской общественностью этих вопросов. На сегодняшний день радиобиологическая подготовка студентов в медицинских вузах, как и в системе последипломного образования врача,крайне неудовлетворительна. Восполнение этого пробела медицинских знаний и является основной задачей данного учебника, рассчитаного не только на студентов, но и на широкий круг медиков-специалистов, независимо от узкого профиля их основной деятельности.
Переработке и написанию нового, 4-го издания учебника способствовали два обстоятельства: во-первых, — мое участие в редактировании и издании русской версии капитального «Отчета НКДАР-2000», содержащего в концентрированном виде последние данные литературы и оценки авторитетных международных экспертов по всем вопросам общей и молекулярной радиобиологии и, во-вторых, — любезное согласие моего ближайшего сотрудника профессора А. А. Вайнсона помочь при переработке прежних и в подготовке новых глав книги в порядке соавторства.
В книге дан анализ реальных последствий Чернобыльской аварии, отражающий их восприятие современной мировой наукой и не исключающий возможных корректив по мере прогресса естествознания. На все экспериментальные данные приведены ссылки (в том числе на ставшие достоянием истории работы прежних лет); в остальных случаях использованы результаты исследований, полученные с участием авторов.
Выражаю признательность за согласование и любезное содействие в написании важнейших разделов радиационной медицины — лучевой болезни, иммунологических расстройств и регламентации радиационных воздействий соответственно члену-корреспонденту РАМН Ангелине Константиновне Гуськовой, академику РАМН Александру Александровичу Ярил ину и академику РАМН Леониду Андреевичу Ильину.
В заключение выражаю глубокую признательность руководству Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина РАМН, его директору академику РАН Михаилу Ивановичу Давыдову за создание благоприятных условий творческой деятельности, способствовавших решению в столь «зрелом» возрасте отважиться на создание данного труда.
С. П. Ярмоненко
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ВОПРОСЫ ОБЩЕЙРАДИОБИОЛОГИИ
ПРЕДМЕТ РАДИОБИОЛОГИИ
ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОБИОЛОГИИ
ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
МОЛЕКУЛЯРНО-КЛЕТОЧНЫЕ РЕАКЦИИ НА ОБЛУЧЕНИЕ
МОДИФИКАЦИЯ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАДИАЦИИ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ДЕЙСТВИЯРАДИАЦИИ
Радиобиология — научная дисциплина, изучающая действие ионизирующих излучений на биологические объекты разной степени организации — от изолированной клетки до организма человека. Как всякая дисциплина или предмет, радиобиология, наряду со специальными, содержит определенный круг общих вопросов, имеющих отношение к любому аспекту изучаемой проблемы. В наибольшей степени это относится к пограничным дисциплинам, находящимся на стыке наук, типичным представителем которых и является радиобиология, в которой изучение главного феномена невозможно без овладения основными сведениями из общей и ядерной физики, физиологии, цитологии, генетики, а в радиобиологии человека еще и медицины.
Первая часть книги посвящена изложению наиболее важных общих вопросов предмета, без четкого знания которых невозможно освоение многопланового материала двух последующих частей книги, содержащих данные об эффектах облучения человека и животных.
К числу важнейших вопросов общей радиобиологии, рассмотренных в первой части книги, относится радиочувствительность — кардинальное понятие предмета, физические свойства разных видов ионизирующих излучений, определяющие их относительную биологическую эффективность и особенности взаимодействия с облучаемым веществом; лучевые реакции клетки — основной единицы, в которой реализуется радиобиологический эффект; способы управления радиочувствительностью с помощью физических и химических агентов, а также теоретические представления о механизме биологического действия ионизирующих излучений.
X
Г Л А В A
РАДИОБИОЛОГИЯ КАК ПРЕДМЕТ
Радиация и жизнь
Основной парадокс радиобиологии
Различия между предметом радиобиологии и радиационными методами исследования
Нет радиобиологии без эксперимента
Количество, мера — основные критерии научного познания
Радиобиология служит человеку
Ионизирующее излучение — удобный инструмент изучения основ жизни. В природе не существует феномена, не подверженного модифицирующему воздействию ионизирующих излучений, так как энергия их всегда превосходит энергию внутримолекулярных и межмолекулярных связей.
Поэтому радиобиология неминуемо в той или иной степени отражает все области биологии. Соответственно исключительно разнообразен набор объектов, являющихся предметом радиобиологических исследований, — макромолекулы, фаги, вирусы, простейшие, клеточные, тканевые и органные культуры, многоклеточные растительные и животные организмы, человек, популяции, биоценозы.
Фундаментальной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, которые являются научной основой гигиенической регламентации радиационного фактора и овладения искусством управления лучевыми реакциями организма.
Задача эта невероятно трудна прежде всего потому, что для ее решения необходимо, по меткому выражению Н.В. Тимофеева-Ресовского, понять и преодолеть основной радиобиологический парадокс, состоящий в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта вплоть до летального эффекта.
Несмотря на существующие в природе колоссальные различия в чувствительности к ионизирующим излучениям отдельных объ-
9
Рис. 1.1. Биологический эффектионизирующего излучениявызывается крайне малойпоглощенной энергией. При общемоблучении человека массой 70 кг вабсолютно смертельной дозе 10 Грпоглощается всего 167 калорий(70x10 = 700 джоулей == 700 : 4,18 = 167 калорий).
ектов (см. гл. 3), облучение в дозе 10 Гр1 убивает всех млекопитающих.
Что же представляет собой такая доза по суммарной энергии, поглощенной в организме при облучении? Много это или мало?
Если условно перевести эту энергию без потерь в тепловую энергию, то окажется, что организм человека нагреется лишь на 0,001 °C, т. е. меньше, чем от стакана выпитого горячего чая.
При рассмотрении рис. 1.1 можно видеть, что при общем облучении человека массой 70 кг в этой смертельной дозе поглощается всего 167 калорий.
Причина того, почему ничтожное количество поглощенной в организме энергии приводит к катастрофе, составляет загадку радиобиологического парадокса. При изучении многочисленных радиобиологических эффектов в модельных системах на молекулярном, клеточном и организменном уровнях потребовалось создание соответствующих собственных экспериментальных методов исследования.
Наличие фундаментальной задачи, составляющей предмет радиобиологии, и собственных методов исследования определяет ее как
1 Гр (грей) — единица измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения (см. гл. 4).
10
Рис. 1.2. Связь радиобиологии с другими дисциплинами
самостоятельную комплексную научную дисциплину, имеющую тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний (рис. 1.2).
Часто, по недоразумению, к радиобиологии относят радиоизотопные методы исследования, используемые в радиобиологическом эксперименте так же широко, как и в других научных дисциплинах. Это является примером неправильного отождествления предмета, его целей и задач с методами, способами и средствами их изучения. Научную дисциплину определяет сам предмет исследования, тогда как методы его изучения могут быть самыми разнообразными, но обязательно адекватными решению основной задачи.
Радиобиология является ярким примером экспериментальной дисциплины. Ни одно утверждение в радиобиологии не может быть серьезно воспринято, если оно не подтверждено экспериментально. При этом наиболее ценны экспериментальные результаты, позволяющие охарактеризовать изучаемое явление количественно.
Специфические, присущие только радиационному агенту свойства, определяемые его взаимодействием с любыми молекулами и структурами клетки, обусловливают другую особенность радиобиологи — необходимость проведения исследования на всех уровнях биологической организации — от молекулярного до популяционного. Неизбежные при этом экстраполяции результатов экспериментов на высшие уровни определяют и следующую особенность радиобиологии, связанную с большой практической значимостью получаемых экспериментальным путем выводов и их ответ -
ственностью, например, при оценке стохастических, в частности, радиационно-генетических последствий облучения.
Наконец, еще одна особенность радиобиологии, определяемая ее прикладными аспектами, — овладение способами искусственного управления лучевыми реакциями биологических объектов и человека с помощью различных модифицирующих средств.
Указанные особенности радиобиологии определяют специфику подходов к ее изучению как предмету. Она состоит в том, чтобы из множества проявлений лучевого воздействия, обусловленного самой физической природой радиационного агента, каждый раз стремится выделить ведущие, критические звенья, ответственные за исход рассматриваемой реакции. Кроме того, важной чертой радиобиологических методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и в объеме реагирующего объекта.
В поле зрения радиобиолога должны находиться и опосредованные эффекты, особенно при анализе сложных интегральных лучевых реакций организма, где их влияние проявляется наиболее значительно, в связи с неизбежным вовлечением регулирующих систем и нейрогуморальных механизмов гомеостаза.
За сто с лишним лет, прошедших со времени открытия ионизирующих излучений, накоплен огромный фактический материал прежде всего феноменологического плана, обобщение которого позволило построить стройную систему представлений, допускающих их широкую экспериментальную проверку.
Уже сегодня радиобиология прочно служит человеку в самых разнообразных областях народного хозяйства. В сельском хозяйстве используют предпосевное облучение семян как метод повышения всхожести и урожайности многих культур. Методы радиационной генетики применяют для получения и закрепления в потомстве полезных признаков, возникающих в результате мутационных изменений. Таким путем удается создавать новые ценные сорта растений, а также уничтожать вредителей направленной однополой стерилизацией насекомых. На основе радиобиологических предпосылок осуществляется лучевая стерилизация овощей, консервов, многих медицинских средств и реактивов.
Таким образом, современная радиобиология представляет не только самостоятельную комплексную дисциплину, но имеет четко выделенные отдельные направления, главные из которых перечислены на рис. 1.3. Такие направления, как противолучевая защита и терапия радиационных поражений, космическая радио- 12
Рис. 1.3. Структура радиобиологии как комплексной дисциплины
биология, радиационная иммунология, радиационная гигиена и радиобиология опухолей могут быть объединены в одну крупную ветвь радиобиологии — медицинскую радиобиологию.
Каждое из перечисленных направлений имеет свои конкретные задачи, достаточно полно определенные их названием, для решения которых, однако, применяют специальные радиобиологические количественные методы исследования, что и объединяет их в одну общую дисциплину.
В последнее десятилетие активное развитие получило исследование биологического действия электромагнитных излучений неионизирующего диапазона в связи с бурным развитием радио- и электронной промышленности, сопровождающимся увеличением числа различных приборов и установок исследовательского, промышленного и бытового профилей. Это обстоятельство породило новую научную дисциплину, также тяготеющую к радиобиологии — радиобиологию неионизирующих излучений.
Таковы предмет и структура современной радиобиологии, относительно короткая история которой заслуживает самостоятельного описания. Последующая глава, освещая наиболее ответственные вехи на этом пути, подтверждает мудрое изречение Н.Г. Чернышевского: «Без истории предмета нет теории предмета».
РЕЗЮМЕ
Радиобиология является комплексной, строго экспериментальной научной дисциплиной, задача которой — вскрытие закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений.
Фундаментальную задачу радиобиологии составляет необходимость объяснения основного радиобиологического парадокса — несоответствия между ничтожным количеством поглощенной энергии и экстремальными реакциями (вплоть до летального эффекта) облучаемых биологических объектов. При решении этой задачи радиобиология опирается на теоретические представления о молекулярных механизмах действия ионизирующих излучений и результаты экспериментальных исследований, проведенных с использованием собственных радиобиологических методов.
ГЛАВА
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Открытие рентгеновских лучей и радиоактивности Атомная заря и расплата за раскрытие ее секретов Описательный этап в изучении биологического действия ионизирующих излучений
Становление количественной радиобиологии как самостоятельной науки
Радиобиология сегодня
Возникновение радиобиологии обязано трем великим открытиям, увенчавшим окончание девятнадцатого века:
1895 г. — открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лу- чей;
1896 г. — открытие Антуаном Анри Беккерелем естественной радиоактивности урана;
1898 г. — выделением Марией Кюри-Склодовской и Пьером Кюри двух элементов с высочайшим уровнем радиоактивности — полония (в июле) и радия (в декабре).
Дорого оплатило человечество открытие тайн природы. Погибли почти все первые исследователи, в том числе многие медики, не знавшие «коварства» нового агента и работавшие с ним без каких-либо предосторожностей. В середине XX в. мир стал свидетелем массовой одномоментной гибели сотен тысяч людей в результате атомной бомбардировки японских городов.
Напротив госпиталя Святого Георга в Гамбурге, где много лет трудился один из пионеров медицинской рентгенологии Г. Альберс-Шонберг, погибший от лучевого рака, 4 апреля 1936 г. состоялось открытие памятника, воздвигнутого германским обществом рентгенологов. На передней стороне колонны, увенчанной лавровым венком, высечена надпись: «Памятник посвящается рентгенологам и радиологам всех наций, врачам, физикам, химикам, техникам, лаборантам и сестрам, пожертвовавшим своей жизнью в борьбе против болезней их ближних. Они героически прокладывали путь для эффективного и безопасного применения рентгеновских лучей и радия в медицине. Слава их бессмертна».
На памятнике в алфавитном порядке высечены имена 159 человек, умерших к тому времени от мучительных радиационных
15
поражений, вызванных рентгеновскими лучами и радием. Годом спустя их биографии и портреты были помещены в специально выпущенной «Книге почета». Позже мемориал был дополнен четырьмя стеллами с именами жертв радиации, а в 1959 г. «Книга почета», вышедшая вторым изданием, содержала уже 360 фамилий, в том числе 13 наших соотечественников.
Знаменательно, однако, что за период с 1936 по 1959 гг., когда развитие ядерных исследований приобрело гигантские масштабы, а в сферу воздействия ионизирующих излучений было вовлечено гораздо больше людей, чем раньше, число жертв науки увеличилось лишь вдвое, причем многие из них погибли вследствие лучевых поражений, возникших еще в ранние годы, предшествовавшие этому периоду. Причины такого диссонанса между резким повышением контактов человека с ионизирующими излучениями и значительным снижением частоты лучевых поражения определялись успехами появившейся новой области знаний — радиобиологии.
Как ни парадоксально, бурному развитию радиобиологии в значительной степени способствовала угроза ядерной катастрофы, которая с 40-х годов прошлого века нависла над миром. Атомная бомбардировка Японии, повышение радиационного фона планеты, а также аварии на атомных производствах выдвинули глобальную проблему обеспечения радиационной безопасности, а также необходимости разработки способов противолучевой защиты и лечения радиационных поражений, что, в свою очередь, потребовало глубокого изучения механизмов биологического действия ионизирующих излучений.
Открытие рентгеновских лучейи радиоактивности
В 1995 г. научная общественность отмечала столетие открытия рентгеновских лучей, в связи с чем в Вюрцбурге состоялся Международный радиологический конгресс, участие в работе которого представило возможность обоим авторам данной книги в полной мере ощутить величие этого открытия, озарившего прогресс мировой науки XX столетия, по праву названного атомным веком.
Вильгельму Конраду Рентгену ко времени его великого открытия было 50 лет. Он руководил физическим институтом и кафедрой физики Вюрцбургского университета. 8 ноября 1895 г. он как обычно поздно вечером закончил эксперименты в лаборатории, 16
помещавшейся этажом ниже его квартиры. Погасив свет в комнате, заметил в темноте зеленоватое свечение, исходившее от флюоресцирующего экрана, покрытого платиносинеродистым барием. Оказалось, что находившаяся поблизости разрядная трубка, закрытая светонепроницаемым чехлом, была под высоким напряжением, которое Рентген забыл выключить перед уходом. Свечение немедленно прекращалось, как только отключался ток, и тотчас возникало при его включении. Катодные, как и видимые, лучи не проникали сквозь черный чехол, и Рентгена осенила гениальная догадка о том, что при прохождении тока через трубку в ней возникает новое излучение, которое он и назвал Х-лучами.
В эту ночь ученый не вернулся домой. Следующие пятьдесят суток были также поглощены напряженной работой. Венцом самозабвенного творчества была рукопись с семнадцатью тезисами о свойствах открытого излучения, которую Рентген вручил 28 декабря 1895 г. председателю вюрцбургского физико-медицинского общества вместе с первым рентгеновским снимком своей руки. В первых числах января 1896 г. брошюра Рентгена вышла из печати, а в последующие несколько недель появились ее переводы на русском, английском, французском и итальянском языках. Русский перевод под названием «Новый род лучей» был выпущен в Петербурге и содержал фотографию первой рентгенограммы, произведенной уже в России 16 января 1896 г.
6 января 1896 г. известие об открытии Рентгеном всепрони- цающих лучей было передано Лондонским телеграфом по всему
миру, и все культурное человечество восприняло эту весть как величайшую сенсацию.
23 января состоялось триумфальное выступление Рентгена на заседании общества естествоиспытателей в Вюрцбурге, где ученый под овации аудитории произвел снимок руки председателя общества известного анатома Рудольфа Альберта ван Кёликера. Маститый ученый заявил, что за 48 лет работы общества он еще не присутствовал при столь значительном научном событии. Он провозгласил троекратное «ура» в честь великого Рентгена и предложил назвать новые лучи именем их первооткрывателя.
А в середине марта Рентген направил в печать материалы дальнейшего изучения свойств открытого излучения. Тезис под номером 18 особенно важен для будущей радиобиологии — в нем говорилось о том, что это излучение является ионизирующим, вызывающим разряд заряженных объектов (за счет ионизации газа вокруг них).
10 декабря 1901 г. В.К. Рентгену присуждена первая из Нобелевских премий по физике.
О значении самого открытия и глубине произведенного Рентгеном экспериментального анализа нового вида излучения написаны тома. Все это, однако, можно легко подытожить словами нашего замечательного соотечественника академика А.Ф. Иоффе, проработавшего около трех лет ассистентом Рентгена. В воспоминаниях, посвященных 50-летию открытия рентгеновских лучей, Иоффе писал: «Из того, что Рентген опубликовал в первых трех сообщениях, не может быть изменено ни одного слова. Многие тысячи исследований не могли прибавить ни йоты к тому, что сделал сам Рентген в самых элементарных условиях с помощью самых элементарных приборов».
Небезынтересна реакция обывателей и прессы того времени на сенсационное открытие. Некоторые нью-йоркские газеты, например, писали о том, что новые лучи могут фотографировать души умерших. Одна из них сообщала, что в колледже врачей и хирургов рентгеновские лучи применяются для проецирования анатомических картин прямо в мозг студентам, что дает им более прочные знания, чем обычные методы учебы. Член законодательного собрания штата Нью-Джерси Рид 19 февраля 1896 г. внес законопроект, запрещающий из морально-этических соображений использование рентгеновских лучей в театральных биноклях. Различные фирмы стали рекламировать не пропускающее рентгеновские лучи нижнее белье, а также шляпы, предохраняющие от чтения чужих мыслей. По свидетельству современников, викторианские девушки краснели лишь при одном упоминании о рентгеновских лучах, ибо каждая из них могла уподобиться леди Годи- ве, беспомощной под взглядом любопытных, вооруженных биноклями с рентгеновскими лучами. Появлялись политические памфлеты и карикатуры, вплоть до рентгеновского снимка Совета министров великой державы. Раздра- 18
женная ситуацией лондонская «Пэлл Мэлл газетт» писала в передовой: «Нам надоели рентгеновские лучи. Самое лучшее, что нужно сделать цивилизованным странам, — это объединиться и сжечь все рентгеновские лучи, казнить всех изобретателей, утопить оборудование всего мира в океане. Пусть рыбы разглядывают свои кости, если им угодно, но не мы». Венский полицмейстер издал следующее постановление: «Ввиду того, что о свойствах новых лучей не поступало официальных сведений, строго воспрещается производить какие бы то ни было опыты впредь до выяснения вопроса и особого распоряжения полиции».
Возникшая шумиха и небылицы только подогревали интерес к великому открытию.
Рентгеновские лучи немедленно стали не только предметом глубокого изучения во всем мире, но и быстро нашли практическое применение. Кроме того, они послужили непосредственным импульсом к обнаружению нового явления — естественной радиоактивности, которое потрясло мир менее чем через полгода после открытия рентгеновских лучей.
Это были невидимые глазу человека первые проблески атомной зари. Они появились на фотографической пластинке, оставленной в столе профессором физики Парижского музея естественной истории Анри Беккерелем. Он — признанный авторитет в области люминесценции — в это время, как и многие, заинтересовавшись природой всепроницающих рентгеновских лучей, проверял связь между возникновением рентгеновских лучей и люминесценцией стеклянной стенки разрядной трубки. В разрядных трубках не было антикатода, как в современных рентгеновских трубках, и источником рентгеновских лучей служило стекло, которое при этом еще и люминесцировало. Беккерель помещал на фотопластинку, завернутую в черную бумагу, различные люминесцирующие материалы, выставлял их на солнечный свет, а затем, проявляя пластинку, пытался обнаружить почернение, вызванное Х-лучами, предположительно сопровождавшими процесс люминесценции. Искомая связь была вскоре «обнаружена», когда действию солнечного света подвергли соли урана. Беккерель повторил «удачный» эксперимент, но в тот день погода оказалась пасмурной, и после короткой экспозиции фотопластинка с лежащими на ней солями урана была убрана в стол. Через два дня — 1 марта 1896 г. — снова выдался солнечный день, и можно было воспроизвести опыт. Движимый интуицией, ученый решил проявить пластинку, не выставляя ее на солнце, и, к удивлению, обнаружил на ней точные очертания креста, выложенного из солей урана. Так было установлено, что уран произвольно, независимо от солнечного освещения, испускает невидимые глазу «урановые лучи».
Итак, оба великих открытия в значительной мере обязаны счастливым случайностям. Но напомним мудрые слова Луи Пастера о том, что «случай помогает лишь умам, подготовленным к открытиям». Действительно, еще задолго до Рентгена и одновременно с ним многие исследователи работали с катодными лучами; наблюдали даже свечение экрана, и, следовательно, «видели» рентгеновское излучение, но «увидел» (распознал) его только Рентген и не потому, что ему повезло, а потому, что «...при великих открытиях на случай наталкиваются те, кто его заслуживают» (Д. Лагранж).
Десятки исследователей после открытия Рентгена были заняты поиском новых таинственных излучений. Но лишь пытливому и талантливому Анри Беккерелю удалось отличить от индуцируемой солнечным светом люминесценции самопроизвольное испускание ураном проникающего излучения.
Уже в 1897 г. Э. Резерфорд разделил излучение урана на две составляющие, названные им а- и 0-лучами. Он же показал, что а-частицы идентичны ядрам гелия, и высказал мысль, что 0-частицы представляют собой электроны с атомных орбит, что позднее было подтверждено Дж. Томсоном в другого рода экспериментах.
Изучение радиоактивности стало предметом страстных исканий вначале великого польского ученого Марии Склодов- ской-Кюри, а вскоре и ее мужа, блестящего французского исследователя Пьера Кюри. Одиннадцать лет их любви и совместного творчества — одна из замечательных и красивейших страниц истории науки — ознаменованы открытием и выделением в 1898 г. нескольких радиоактивных (испускающих излучение) элементов, в том числе двух наиболее активных — полония и радия1.
Андрей Белый в поэме «Первое свидание» воспел эти гениальные искания словами: «Мир рвался в опытах Кюри».
Величие открытия радиоактивности было ознаменовано присуждением в 1903 г. Нобелевской премии по физике Анри Беккерелю, Пьеру и Марии Кюри.
Заканчивая краткое изложение истории зарождения физических предпосылок радиобиологии, отсылаем любознательного читателя к специальной историко-мемуарной литературе, в первую очередь, к повествованиям о чете Кюри. В заключение напомним лишь о фактах, иллюстрирующих неоценимый вклад семьи Кюри в развитие ядерных исследований. В 1911 г. Мария Кюри за работы
1 Полоний назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши. Радий означает «лучистый».
20
Мария Склодовская-КюриМария Склодовская-КюриПьер КюриПьер Кюри
Мария Склодовская-Кюри
Мария Склодовская-Кюри
Пьер Кюри
Пьер Кюри
в области радиационной химии была награждена второй Нобелевской премией. Всего Марии Кюри присуждено 10 премий и 16 медалей; она была избрана почетным членом 106 различных научных учреждений, академий и обществ.
В 1935 г., спустя 32 года после открытий родителей, Нобелевскую премию получает их дочь Ирен вместе с мужем Фредериком
Ирен КюриИрен КюриФредерик Жолио-КюриФредерик Жолио-Кюри
Ирен Кюри
Ирен Кюри
Фредерик Жолио-Кюри
Фредерик Жолио-Кюри
Жолио-Кюри за исследования в той же области, теперь — за открытие искусственной радиоактивности. История не знает примера, чтобы две супружеские пары в двух последовательных поколениях внесли столь большой вклад в науку, как семья Кюри. Три Нобелевские премии и четыре ее лауреата в одной семье, один из них — дважды.
Чрезвычайный интерес и уважение человечества к двум поколениям Кюри-ученых объясняется еще и их высокими моральными качествами. Преданность науке привела к тому, что жизнь их была в прямом смысле принесена ей в жертву. Мария, Ирен и Фредерик умерли вследствие облучения, и есть все основания полагать, что лишь трагическая ранняя гибель Пьера избавила его от той же участи.
Три этапа развития радиобиологии
Изучение биологического действия ионизирующих излучений началось тотчас после открытия рентгеновских лучей. Среди самых ранних работ известны классические исследования нашего соотечественника И.Ф. Тарханова, установившего уже в 1896 г. в опытах на лягушках и насекомых реакции на облучение во многих системах организма, на основании чего им было высказано сбывшееся вскоре предположение о возможности лечебного применения рентгеновского излучения. Достаточно указать, что лишь за год после этого было издано 49 книг и более 1000 статей об использовании Х-лучей в медицине.
В 1896 г. в печати появились сообщения о поражениях кожи (эритемах, дерматитах, выпадении волос) у лиц, подвергавшихся частым и продолжительным воздействиям Х-лучей при проведении экспериментов, а в 1902 г. Г. Фрибен описал первый случай лучевого рака кожи. Первые сведения о лучевом раке, по-видимо- му, восходят к XVI в. Известные медики средневековья Т. Парацельс и Г. Агрикола писали о загадочной болезни легких у горняков, работавших в рудниках, где впоследствии стали добывать уран
и радий. В 1879 г., еще до «эры радиации», в этом заболевании распознали рак легких.
О действии радия на кожу впервые сообщили немецкие ученые Г. Вальхов и Г. Гизель. Пьер Кюри тотчас проверил это на собственном предплечье, и, к его великой радости, участок кожи, соприкасавшийся с радием, оказался пораженным. 3 июня 1901 г. Анри Беккерель на протяжении 6 ч носил в кармане жилета ампулу с радием и тоже получил ожог. Об этом через 10 дней, когда появилась эритема (а потом и долго не заживающая язва), он, одновременно обуреваемый восторгом и яростью, прибежав к Марии Кюри, воскликнул: «Радий я люблю, но сердит на него».
Эти наблюдения, а также эксперименты на животных, свидетельствовавшие о повреждающем действии радия на ткани, позволили Пьеру Кюри вместе с известными учеными-медиками К. Бушаром и В. Бальтазаром прийти к выводу о лечебном действии радия на волчанку и некоторые формы рака, что и послужило началом кюритерапии.
Первой в истории попыткой рентгенотерапии рака была, очевидно, работа доктора Дж. Джиллмана из Чикаго. К нему обратился за помощью физик Е. Груббе, который, узнав об открытии Рентгена, начал опыты с X-лучами и получил сильные ожоги руки. Джиллмана поразил эффект Х-лучей, и он отправил на облучение к Груббе больную с неоперабельным раком молочной железы. Этот сеанс лечения был проведен 29 января 1896 г., т. е. спустя неделю после доклада Рентгена. По-видимому, был получен хороший эффект, так как Груббе продолжил практику рентгенотерапии после медицинской подготовки. Позже и он стал жертвой лучевого рака.
Долгое время объектом наблюдения оставалась главным образом кожа, так как никто не предполагал, что рентгеновские лучи могут влиять на глубоко расположенные ткани. В 1903 г. Г. Альберс-Шонберг обнаружил дегенеративные изменения семяродно- го эпителия и азооспермию у морских свинок и кроликов, а в 1905 г. Л. Хальберштадтер наблюдал атрофию яичников у облученных животных. Вскоре П. Броун и Дж. Осгоуд выявили азооспермию, явившуюся причиной бесплодия у людей — молодых рабочих завода рентгеновских трубок, проработавших на производстве более трех лет.
В 1903 г., в значительной степени под влиянием экспериментов отечественного исследователя Е.С. Лондона, обнаружившего летальное действие лучей радия на мышей, Г. Хейнеке применил с этой же целью рентгеновские лучи. Ему также удалось вызвать ги-
23
бель животных, причем он впервые описал лучевую анемию и лейкопению, а также обратил внимание на поражение органов кроветворения, видимое даже невооруженным глазом (атрофия селезенки). Детально описанные Г. Хейнеке типичные изменения клеток костного мозга и лимфатических узлов при гистологическом исследовании являются классическими и по сей день.
В многочисленных экспериментах Е.С. Лондон продемонстрировал действие излучения радия на многие системы организма, в частности, на кроветворение. В 1911 г. вышла его книга «Радий в биологии и медицине». Она считается первой в мире монографией по радиобиологии (опубликована на немецком языке).
Приведенные примеры, а также многочисленные наблюдения других исследователей ознаменовали собой первый этап развития радиобиологии, характеризующийся работами описательного характера. Но уже в этом периоде установлены два кардинальных факта — вызываемое ионизирующим излучением торможение клеточного деления [Корнике М., 1905] и различие в степени выраженности реакции разных клеток на облучение. Впервые это было отмечено в 1903 г. французскими исследователями И. Берго- нье и Л. Трибондо, которые в ходе тщательных экспериментов обнаружили разную чувствительность к излучению отдельных видов семяродных клеток. Наиболее чувствительными оказались спер- матогонии, наиболее резистентными — сперматозоиды, облучение которых вообще не вызывало морфологических изменений. На основании этих экспериментов были сформулированы положения, вошедшие в историю под названием «закона» или «правила» Бергонье и Трибондо. Суть этих положений состоит в том, что клетки тем более радиочувствительны, чем большая у них способность к размножению и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т. е. чем они менее дифференцированы. Несмотря на ряд исключений, феноменологически это правило не утратило своего значения и по сей день.
Таким образом, уже в самый ранний период первоначальных наблюдений была подмечена наиболее важная особенность ионизирующих излучений — избирательность их действия, определяемая не столько характеристиками самих лучей, сколько свойствами тех или иных клеток, т. е. их чувствительностью к излучению — радиочувствительностью.
Оченьрано — в 1903 г. — была выявлена роль пораженияядра в клеточной радиочувствительности. Заключение об этом сделал Д. Бун, отметивший примерно одинаково выраженное губительное действие на развивающихся головастиков облучения сперма- 24
тозоидов лягушек или неоплодотворенных икринок, резко отличающихся между собой по количеству цитоплазмы. Он пришел к заключению, что облучение последней не играет особой роли в развитии зародыша.
Уже в первое десятилетие XX в. началось изучение действия ионизирующей радиации на эмбриогенез, позволившее обнаружить возникновение различных аномалий при облучении на определенных стадиях развития эмбриона.
Ранние наблюдения, хотя и имели фундаментальное значение, носили описательный, качественный характер; отсутствовала какая-либо теория, объясняющая механизм действия ионизирующих излучений на живые объекты.
Второй этап развития радиобиологии связан со становлением ее количественных принципов, имевших целью связать биологический эффект с дозой излучения. Этот этап характеризовался массовыми экспериментами на различных популяциях клеток и животных с количественным отражением результатов на кривых доза-эффект. Такой способ анализа результатов радиобиологических экспериментов остается ведущим и в настоящее время (см. гл. 7), хотя интерпретация самих кривых изменилась.
Одна из знаменательных дат этапа — 1922 г., когда Ф. Дессау- эром была предложена первая теория, объяснявшая радиобиологический эффект дискретностью событий — актов ионизации в чувствительном объеме. Эти взгляды в последующем получили развитие в виде принципа попаданий и теории мишеней в трудах Н.В. Тимофеева-Ресовского; К. Циммера, Д. Ли и других исследователей (см. гл. 11).
Одно из эпохальных событий радиобиологии — обнаружение действия ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки, сопровождающегося наследственной передачей вновь приобретенных признаков. Впервые эти наблюдения были сделаны нашими соотечественниками Г.А. Надсоном и Г.Ф. Филипповым (1925) в результате опытов на дрожжах. К сожалению, это крупнейшее открытие не получило тогда должной оценки, и лишь после работ Г. Мюллера, описавшего в 1927 г. мутагенный эффект ионизирующих излучений в экспериментах на дрозофиле, радиационно-генетические исследования стали проводиться во всем мире и во многом послужили становлению количественной радиобиологии.
1927 г. был обозначен еще одной практически важной вехой — результаты экспериментов на яичках кроликов позволили К. Риго предложить использование фракционирования дозы при лучевой
25
терапии, что уже в 1928 г. и было реализовано А. Кутаром при лечении опухолей человека.
В 1928 г. была введена единица экспозиционной дозы — рентген, принятая затем как международная единица для рентгеновского и гамма-излучения.
Мощным импульсом к бурному развитию радиобиологии явились успехи ядерной физики, обозначившие перспективу овладения энергией атомного ядра. В 1932 г. Чедвик сообщил об открытии нейтрона. В том же году Э. Лоуренс изобрел циклотрон, а уже в 1933 г. им, совместно с М. Ливингстоном, был построен первый циклотрон, генерировавший дейтроны с энергией 5 МэВ.
Особо интенсивное развитие радиобиологических исследований началось в 1946 г. после взрывов атомных бомб — 16 июля в США в штате Нью-Мексико, 6 августа в Хиросиме и 11 августа в Нагасаки. Это выдвинуло в качестве неотложной задачи разработку способов противолучевой защиты и лечения радиационных поражений, что, в свою очередь, потребовало детального изучения механизмов радиобиологического эффекта и патогенеза лучевой болезни. Поэтому в 40—50-е годы в Европе и на других континентах начали создаваться крупные исследовательские центры. Зачастую их организовывали при институтах и госпиталях, как правило, онкологических, ибо стало очевидным, что лучевая терапия рака может быть научно обоснована лишь в результате тщательного изучения радиочувствительности опухолей и нормальных тканей, а также овладения методами ее направленного изменения.
В Советском Союзе крупные исследовательские центры были созданы в Москве, Ленинграде, Киеве, Минске, Алма-Ате, Новосибирске и Свердловске. В разработке российской радиобиологии приняли участие многие ученые разных специальностей и крупные организаторы науки. Значительный вклад в ее развитие внесли ушедшие от нас С.Н. Александров, С.Н. Ардашников, Г.Д. Байсоголов, Э.Я. Граевский, П. Д. Горизонтов, Т.К. Джара- кян, Ю.Я. Керкис, А.М. Кузин, А.В. Лебединский, Н.В. Лучник, Ю.И. Москалев, М.И. Неменов, В. П. Парибок, Е.Ф. Романцев, Г.С. Стрелин, Б.Н. Гарусов, Н.В. Тимофеев-Ресовский, Г.М. Франк, М.И. Шальнов, Н.И. Шапиро. Достижениями в области количественной радиобиологии отечественная наука прежде всего обязана Н.В. Тимофееву-Ресовскому и его выдающимся ученикам и последователям В.И. Корогодину и Н.В. Лучнику. Выдающиеся достижения в фундаментальной и прикладной радиобиологии, а также в радиационной медицине связаны с именами активно работаю- 26
щихА.К. Гуськовой, Л.А. Ильина, АТ. Коноплянникова, Р.В. Петрова, К.П. Хансона, Л.Х. Эйдуса.
За рубежом радиобиологические исследования наиболее интенсивно проводятся в сотнях оснащенных по последнему слову техники лабораториях США, Великобритании, Японии, Германии, Франции, Голландии, Канады, Швеции, Дании.
Широкое международное обсуждение вопросов радиобиологии впервые было проведено в 1955 г. на Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии. К этому времени общепланетарной проблемой стало резкое увеличение радиационного фона в атмосфере Земли вследствие массовых испытаний ядерного оружия. Вскоре перед радиобиологами возникла необходимость организации космических исследований.
Таким образом, с середины 40-х годов прошлого столетия начался третий этап в развитии количественной радиобиологии, продолжающийся и по настоящее время.
Радиобиология сегодня — самостоятельная наука с четко выделенными отдельными направлениями (см. рис. 1.2.), каждое из которых имеет свой собственный предмет исследований и соответственно свои специфические задачи. Учитывая профиль данного учебника, нас больше всего интересует комплекс направлений, объединяемых в большую ветвь — медицинскую радиобиологию.
Говоря о сегодняшнем состоянии радиобиологии, необходимо отметить, что именно медицинская радиобиология претерпела наибольшие изменения в связи с перемещением интересов в область изучения низких уровней радиационного воздействия и их влияния на здоровье человека. В значительной степени это связано с крупной аварией на Чернобыльской атомной электростанции, происшедшей 26 апреля 1986 г., в результате которой десятки миллионов людей оказались подвергнутыми длительному воздействию низких уровней внешнего и внутреннего облучения, а также вследствие радиоактивного загрязнения больших территорий Советского Союза и в меньшей степени других стран Северного полушария.
Были и другие причины перемещения интересов с изучения эффектов больших, заведомо поражающих доз излучения на исследования биологического действия низких уровней радиации, выдвинув на передний план ставшую особенно актуальной проблему радиационной безопасности. Детально эти вопросы, вокруг которых и по сей день продолжается оживленная дискуссия, рассмотрены в специальных главах третьей части книги. Здесь лишь
отметим, что дальнейший прогресс в данном направлении связан с активно развивающимися в настоящее время молекулярно-радиобиологическими исследованиями, результаты которых, несомненно, будут способствовать прогрессу радиобиологии в целом.
В наступившем столетии, как и во второй половине XX в., к проблемам биологии вообще, а следовательно, и к радиобиологии, привлечено внимание большого числа естествоиспытателей смежных специальностей, прежде всего физиков и химиков. Поэтому современный этап развития радиобиологии можно охарактеризовать как накопление разносторонней информации о реакциях на облучение отдельных биологических объектов, систем и популяций разной степени сложности. Развитие ядерной физики делает возможным изучение таких взаимодействий с помощью новых видов ионизирующих излучений, в том числе тяжелых ядерных частиц высоких энергий. Это, в свою очередь, создает не только перспективу решения традиционных задач радиобиологии, но позволяет надеяться и на ее роль в изучении фундаментальных закономерностей биологической формы существования и развития материи.
РЕЗЮМЕ
• Анализ основных вех становления и развития радиобиологии за более чем столетний период с конца XIX в. и до начала XXI в. позволяет выделить три ее временных этапа.
Первый — с 1895 по 1922 гг. — описательный этап, связанный с накоплением данных и первыми попытками осмысления биологических реакций на облучение.
Второй — с 1922 по 1945 гг. — становление фундаментальных принципов количественной радиобиологии, характеризующийся стремлением связи эффектов с величиной поглощенной дозы.
Третий — с 1945 г. по настоящее время — дальнейшее развитие количественной радиобиологии на всех уровнях биологической организации — от молекулярного до организма человека, что необходимо для ее использования в медицинской п ракти ке.
З
ГЛАВА
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Диапазон различий радиочувствительности в природе Радиочувствительность — синоним радиопоражаемости и альтернатива радиоустойчивости (радиорезистентности) Необходимость адекватных критериев оценки сравнительной радиочувствительности
Вскоре после открытия биологического действия ионизирующих излучений было установлено, что любой живой объект может быть убит этим агентом. Однако дозы излучения, приводящие различные объекты к гибели, отличаются друг от друга в очень широких пределах, даже на несколько порядков. Иными словами, каждому биологическому объекту (клеткам, тканям, органам или организмам) свойственна своя мера восприимчивости к воздействию ионизирующей радиации, своя видовая радиочувствительность.
В качестве примера крайне низкой радиочувствительности можно привести бактерии, обнаруженные в канале ядерного реактора, которые, испытывая гигантские дозы ионизирующего излучения, не только не погибли, но и размножаются, в связи с чем они названы Micrococcus radiodurens — радиорезистентный микрококк.
Степень радиочувствительности сильно варьирует и в пределах одного вида — индивидуальная радиочувствительность, к тому же зависит от возраста и пола. Кроме того, даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочувствительности. Наряду с радиочувствительными (кроветворная система, эпителий слизистой тонкого кишечника) имеются ра- диоустойчивые ткани (мышечная, нервная, костная), которые принято называтьрадиорезистентными. Впрочем, деление тканей на радиочувствительные и радиорезистентные весьма условно, так как зависит от избранного критерия. Далее будет неоднократно показано (см. гл. 12, 15, 17, 19), что ткани, относящиеся к радио- резистентным по непосредственным лучевым реакциям, оказываются весьма радиочувствительными по отдаленным последствиям.
Проблема радиочувствительности занимает центральное место в радиобиологии, ибо познание природы естественной радиочувствительности и механизмов ее регуляции имеет не только
большое теоретическое значение в общебиологическом плане, но и практически важно, имея в виду возможность искусственного управления лучевыми реакциями тканей — их ослабление, в случае противолучевой защиты организма, или усиление — при облучении злокачественных опухолей. Поэтому интерпретация самого термина «радиочувствительность» должна быть предельно четкой. К сожалению, в литературе часто встречаются противоречивые толкования этого понятия, что приводит к терминологической путанице и является причиной неправильной трактовки результатов экспериментальных исследований.
Например, довольно распространена рекомендация различать понятия радиочувствительность и радиопоражаемость, отражающие якобы разные биологические явления. Следует помнить (особенно молодым исследователям), что естествоиспытатель должен стремиться, насколько возможно, упрощать понимание любого явления природы. В полную меру это относится и к такому сложному интегральному понятию, как радиочувствительность, которую следует однозначно понимать как синоним поражаемости изучаемых объектов. Альтернативой служит понятие радиоустойчивости, или радиорезистентности.
Вместе с тем очевидно, что радиочувствительность можно рассматривать и как пример многочисленных реакций биосистемы на воздействие разных внешних агентов, в данном случае — на излучение. Отсюда вполне логично характеризовать радиочувствительность любой регистрируемой реакцией, вне зависимости от ее значения для жизнеспособности объекта. Но тогда и сравнение различных объектов следует производить по степени проявления данной реакции. Многие лучевые реакции строго специфичны для определенных объектов (в частности, для определенных тканей и систем) и отсутствуют у других. Например, такая универсальная реакция клеток на облучение, как задержка деления, легко выявляется в активно пролиферирующих тканях и, по понятным причинам, не может быть обнаружена в тканях, где клеточное деление выражено слабо или отсутствует.
В равной степени не могут служить сравнительными показателями радиочувствительности многочисленные функциональные реакции, являющиеся проявлением высокодифференцированных свойств определенных тканей, органов или систем. К их числу относятся показатели специфической деятельности различных систем, активация и ингибирование специфического метаболизма, продукция определенных ферментов, гормонов и других биологических веществ.
Итак, при сравнении радиочувствительности необходимо использовать только адекватные методы и критерии, несоблюдение этого условия и ведет к упомянутой выше терминологической путанице.
Наиболее ярко неправомерность использования специфических клеточных или системных реакций в качестве критерия оценки исходной и особенно сравнительной радиочувствительности можно продемонстрировать на примере центральной нервной системы (ЦНС). В этом случае часто регистрируют изменение электроэнцефалограммы или условно-рефлекторной деятельности под влиянием облучения, т. е. показателей, присущих только ЦНС и отражающих крайне специфические черты ее функциональной деятельности. Между тем именно преходящие изменения этих жизненно малозначащих показателей, наблюдающиеся уже при весьма малых дозах излучения, и отсутствие поражения морфологических структур мозга при очень высоких дозах являются основанием для необоснованных рассуждений о том, что одна и та же система может быть высоко радиочувствительной и в то же время отличаться малой поражаемостью. Легко видеть, что в этом случае смешивают два понятия: преходящие функциональные реакции, характеризующие высокую реактивность ЦНС, — свойство, присущее ей и закрепленное эволюцией в связи с необходимостью реагировать на любые изменения внешней среды, и напротив, низкую чувствительность к поражающему действию радиации.
Необходимость корректных подходов к способам оценки радиочувствительности может быть проиллюстрирована и на примере элементарной биологической единицы — клетки. Для клетки, как это будет видно из последующего изложения (см. гл. 6 и 7), можно легко зарегистрировать и количественно охарактеризовать самые различные реакции на облучение, выявляемые с помощью биохимических, морфологических, биофизических и специальных радиобиологических методов исследования. Однако одни из них — преходящие, не имеют значения для жизнеспособности и функционирования клетки, а другие — характеризуют летальный эффект. Следовательно, и на этом уровне при сравнении радиочувствительности двух различных клеточных популяций следует строго соблюдать принцип использования адекватных критериев оценки.
С учетом рассмотренных примеров представляется наиболее приемлемым в качестве показателя радиочувствительности использовать величину, обратную отношению доз ионизирующего
31
излучения, вызывающих в сравниваемых системах количественно равные специфические эффекты (одного типа).
К этому следует лишь добавить, что обязательным требованием к используемому критерию является его строгая количественная связь с дозой излучения.
Применительно к абсолютному большинству радиобиологических задач в качестве такого интегрального критерия радиочувствительности обычно используют либо непосредственно изменение выживаемости изучаемых объектов в результате облучения в определенных дозах, либо такие количественные показатели поражения, которые в данном диапазоне доз однозначно связаны определенным соотношением с выживаемостью.
Наиболее часто с этой целью используют так называемую величину ЛД50 — дозу, приводящую к гибели 50% подвергнутых радиационному воздействию особей. Величины ЛД50 в природе различаются довольно значительно даже в пределах одного вида (например, между мышами разных линий).
Ниже представлены данные, характеризующие большие различия в радиочувствительности различных биологических объек-
тов: в дозах у-излучения, вызывающих гибель 50%
объектов
Биологический вид
Доза, Гр*
Биологический вид
Доза, Гр
Человек
2,5-4
Птицы
8- 20
Обезьяна
2,5 - 6
Рыбы
8-20
Овца
1,5 - 3
Змеи
80 - 200
Собака
2,5 - 3
Насекомые
10- 100
Осел
2-4
Растения
10 - 1500
Кролик
9-10
Хомяк
9-10
Мыши разных линий
6-15
Крысы разных линий
7-9
*Гр (грей) — единица измерения поглощенной дозы излучения (см. гл. 4).
В чем же причина такого разнообразия? Каковы механизмы, определяющие естественную радиочувствительность биологических объектов?
Однозначно ответить на этот важнейший вопрос радиобиологии не удалось и по сей день, хотя многие его аспекты изучены в достаточной степени. Большинство из них будет рассматриваться почти во всех разделах книги, а некоторые главы специально посвящены анализу радиочувствительности на клеточном (см. гл. 7 и 32
8), тканевом и системном уровнях (см. гл. 12), без чего невозможно правильно осмыслить последствия облучения организма человека и животных.
РЕЗЮМЕ
Под радиочувствительностью понимают степень реакции клеток, тканей, органов или организмов на воздействие ионизирующего излучения.
Мерой количественной оценки радиочувствительности является доза облучения, при которой возникает регистрируемый эффект.
При сравнении радиочувствительности различных биологических систем (например, клеток, тканей или животных) должны использоваться адекватные критерии — в одинаковой мере легко регистрируемые в сравниваемых системах.
4
ГЛABA
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
Электромагнитные и корпускулярные ионизирующие излучения Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом; проникающая способность; линейная передача энергии
Связь эффекта с дозой
Экспозиционная и поглощенная доза
Единицы измерения дозы и радиоактивности
В данной главе кратко рассматриваются основные физические характеристики различных видов ионизирующих излучений, обусловливающие особенности их взаимодействия с веществом и определяющие количественное и качественное многообразие реакций биологических объектов на облучение.
Типы ионизирующих излучений
Ионизирующие излучения получили свое название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Элементарный акт взаимодействия излучения с веществом — поглощение энергии кванта атомом или молекулой, приводящее к высвобождению электрона — ионизации. При каждом акте ионизации высвобождается энергия в размере 33 эВ, что превышает энергию, требуемую для разрыва любых связей между атомами в молекуле.
Ионизирующие излучения подразделяются по своей природе на электромагнитные и корпускулярные. Электромагнитные излучения — это рентгеновское излучение и у-излучение радиоактивных элементов. Видимый свет и радиоволны — тоже электро-
магнитные излучения, но они не ионизируют, ибо характеризуются большей длиной волны и соответственно меньшей энергией, передаваемой атомам, которая недостаточна для отрыва электрона. Напомним, что энергия фотонов определяется произведением постоянной Планка на частоту излучения, поэтому с увеличением длины волны (уменьшением частоты) энергия фотонов падает.
Все остальные виды ионизирующих излучений имеют корпускулярную природу. К корпускулярным излучениям относятся р-частицы (отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные позитроны), а-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, ускоренные ионы — атомы различных элементов, лишенные электронов, а также внутриядерные частицы, из которых для радиобиологии важны пи-мезоны. К корпускулярным излучениям относятся и не имеющие заряды ядерные частицы — нейтроны.
Многие частицы имеют два названия, которые относятся к разным способам их получения. Так, об электронах, вылетающих из ядра при его распаде, принято говорить как о короткопробеж- ных р-частицах. Те же электроны, но уже ускоренные до энергии в несколько МэВ, получают на линейных ускорителях и используют для облучения опухолей при лучевой терапии, а также для подавления жизнеспособности микроорганизмов при лучевой стерилизации медицинских материалов и пищевых продуктов. Положительно заряженные частицы с массой, равной массе электрона, — позитроны — испускаются при распаде некоторых изотопов, а также образуются в виде пары электрон-позитрон у-квантами высокой энергии. В медицине позитронное излучение используется в диагностических целях.
Из двух протонов и двух нейтронов состоят а-частицы, которые образуются при радиоактивном распаде и характеризуются небольшой энергией (максимальную энергию в 8,8 МэВ имеют а-частицы, вылетающие при распаде 210Ро), очень высокой плотностью ионизации и пробегом в ткани в несколько мкм. Из двух протонов и двух нейтронов состоят и ядра гелия, и эти частицы могут быть ускорены до энергии в сотни МэВ с помощью ускорителей. Тогда их пробег в ткани оказывается достаточным для использования при лучевой терапии глубоко залегающих опухолей. Этот
вид излучения называют ускоренными ионами гелия или ускоренными альфа-частицами.
В зависимости от энергии, которая определяется методом получения частиц (за счет естественного радиоактивного распада или путем ионизации атомов и последующего ускорения ионов), одинаковые по сути частицы могут иметь совершенно разную проникающую способность и плотность ионизации на единицу пути, которая определяет важнейшие радиобиологические характеристики излучения.
Особенности взаимодействия ионизирующихизлучений с веществом
Существуют два вида ионизирующих излучений, различающиеся особенностями взаимодействия с веществом и определяемые их физическими характеристиками — электромагнитные и корпускулярные излучения.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
К электромагнитным ионизирующим излучениям относится рентгеновское и у-излучение.
Источником электромагнитного ионизирующего излучения относительно низкой энергии являются рентгеновские трубки, в которых, нагревая катод, получают пучок электронов, затем ускоряют их за счет высокого, в несколько десятков-сотен кВ, потенциала между катодом и анодом; взаимодействие ускоренных электронов с электронными оболочками атомов материала анода приводит к возбуждению атомов — переходу электронов на орбиты с более высокой энергией; при возврате возбужденных атомов в исходное состояние происходит последовательное перемещение электронов на орбиты, на которых они имеют более низкую энергию. Разница в энергиях электронов и приводит к образованию квантов так называемого «характеристического рентгеновского излучения». Это излучение, генерируемое при потенциале на трубке в десятки кВ, используется для диагностики, так как на его поглощение сильно влияет атомный номер поглощающего вещества — именно поэтому на рентгеновских снимках так хорошо различимы кости и металлические предметы. Интенсивность этого излучения быстро уменьшается с глубиной тела. Излучение, генерируемое при напряжении в сотни кВ (практическим пределом 36
является 250—300 кВ), проникает на несколько большую глубину и менее «избирательно» останавливается тканями различной плотности. Ранее такое излучение использовалось при рентгенотерапии злокачественных опухолей, теперь аппараты стараются сохранить для экспериментальных исследований на животных, а в клинике заменить на устройства, дающие возможность получить излучение большей энергии, интенсивность которого незначительно снижается с глубиной ткани.
Для получения электромагнитного излучения еще более высокой энергии, которое позволяет получать более равномерное облучение глубоко расположенных новообразований, в медицине используют линейные ускорители электронов. Эти ускорители создают два вида ионизирующих излучений — корпускулярное (сами электронные пучки, в которых частицы ускорены до энергии в десятки миллионов вольт, МВ) и так называемое тормозное излучение. Ускоренные электроны, взаимодействуя с полем атомов мишени (анода), теряют энергию и тормозятся, а потерянная энергия выделяется в виде излучения, которое иногда, как и получаемое в рентгеновских трубках, также называют рентгеновским.
В.К. Рентген занимался изучением обоих видов излучения, так как и при работе рентгеновской трубки, помимо характеристического излучения, вызванного переходами орбитальных электронов атомов материала анода, также возникает тормозное излучение, хотя и очень малоинтенсивное).
И электронные пучки, и еще в большей мере тормозное излучение линейных ускорителей в настоящее время являются основными видами излучения, которые ежедневно используются при лучевом лечении многих тысяч больных по всему миру.
Гамма-лучами называют коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами при радиоактивных превращениях или при ядерных реакциях. Гамма-лучи возникают также при аннигиляции частицы и античастицы. Каждый радиоактивный изотоп характеризуется своей энергией испускаемого у-кванта. По своей энергии и соответственно глубине проникновения в ткани у-излучение занимает промежуточное положение между рентгеновским излучением, получаемым с помощью рентгеновских трубок, и тормозным излучением линейных ускорителей. Использование у-излучения для лечения злокачественных опухолей началось в 50-годы прошлого века, но и сейчас оно широко применяется в клинике наряду с излучением от линейных ускорителей.
Рис. 4.1. Размен энергии фотона рентгеновского излучения при эффекте Комптона. Падающий фотон выбивает орбитальный электрон атома облучаемого вещества. Часть энергии фотона передается в виде кинетической энергии электрону. Образующийся вторичный фотон имеет меньшую энергию и другое направление
Остановимся на механизмах передачи энергии электромагнитных излучений веществу, при которых происходит ионизация биологических молекул. Их три: фотоэлектрический эффект, эффект Комптона и образование электронно-позитронных пар.
При фотоэлектрическом эффекте (фотоэффект) энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны, обладающие определенной кинетической энергией, величина которой равна энергии кванта излучения за вычетом работы выхода данного электрона из атома. Свободный электрон, ассоциируясь с одним из нейтральных атомов, порождает отрицательный ион.
Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентгеновского излучения. Его вероятность зависит от атомного номера поглощающего вещества и пропорциональна Z5. С повышением энергии излучения вероятность фотоэффекта уменьшается, и для излучений с энергией, значительно превышающей внутриатомные энергии связи (> 1 МэВ), его вкладом можно пренебречь. Главную роль при этом начинает играть другой способ размена энергии — эффект Комптона. При комптон-эффекте происходит упругое рассеяние падающих фотонов излучения на электронах внешней орбиты, которым передается лишь часть энергии фотонов. Оставшуюся часть энергии уносят рассеявшиеся фотоны 38
Рис. 4.2. Относительная вероятность, %, поглощения фотонов различной энергии (£) в одном из трех видов взаимодействия излучения с веществом:
1 — фотоэффект, 2 — комптон-эффект, 3 — процесс образования пар
(рис. 4.1). В дальнейшем эти фотоны могут вновь претерпевать комптон-эффект.
Энергия электронов отдачи, образующихся при эффекте Комптона, в отличие от фотоэлектронов, изменяется в широких пределах (от нуля до некоторого максимального значения). Средняя энергия возрастает с увеличением энергии падающего излучения. Доля энергии, поглощенной комптоновскими электронами, в общем количестве поглощенной энергии увеличивается с ростом жесткости излучения.
Наконец, третий вид взаимодействия излучения с веществом характеризуется возможностью превращения у-кванта большой энергии (> 1 МэВ) в пару заряженных частиц — электрон и позитрон. Этот процесс вызывается взаимодействием у-кванта с каким-либо атомным ядром, в поле которого и образуется электронно-позитронная пара. Вероятность такого процесса пропорциональна Z2 и поэтому для тяжелых элементов она больше, чем для легких.
Следовательно, в зависимости от энергии падающего электромагнитного излучения преобладает тот или иной вид его взаимодействия с веществом (рис. 4.2.). В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия используемого электромагнитного излучения находится в диапазоне 0,2—2 МэВ, поэтому наибольшую роль играет комптон-эффект.
Поглощение пучка моноэнергетических фотонов в веществе описывает зависимость
/(х) = /0^,
где /0 и /(х) — интенсивности излучения, падающего и прошедшего толщину х, а показатель экспоненты р (линейный коэффициент поглощения) характеризует поглощающую способность вещества.
Таблица 4.1. Линейный коэффициент поглощения у-излучения разной энергии в различных веществах
Энергия у-излучения, МэВ
В воздухе (хЮ)
В воде
В железе
В свинце
0,1
1,98
0,172
2,81
59,9
0,25
1,46
0,126
0,82
6,3
0,5
1,11
0,096
0,65
1,67
1,0
0,81
0,070
0,45
0,75
2,0
0,57
0,050
0,33
0,51
3,0
0,46
0,039
0,28
0,46
3,0
0,36
0,030
0,24
0,48
10,0
0,26
0,022
0,23
0,62
В табл. 4.1 приведены значения ц для четырех веществ (воздуха, воды, железа и свинца) и зависимость этого коэффициента от энергии излучения: чем меньше ц, тем слабее поглощение и больше проникающая способность электромагнитных излучений. Нетрудно рассчитать, что для 100-кратного ослабления пучка рентгеновских лучей, получаемых при энергии на трубке в 250 кэВ, достаточно 7—8 мм свинца, обладающего большой поглощающей способностью, а потому и используемого в качестве экрана для защиты от вредного действия излучений. Более легкие металлы (А1, Сг, Fe) используют в качестве фильтров, отсекающих очень мягкую компоненту рентгеновских лучей, сильно поглощающуюся в веществе (большое ц) и вызывающую при воздействии таких излучений на организм лучевой ожог кожи.
КОРПУСКУЛЯРНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Заряженные частицы. Механизм передачи энергии в объекте от всех заряженных частиц один и тот же. При прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии
уменьшится настолько, что частица утратит ионизирующую способность. В зависимости от знака заряда при пролете в веществе частица, испытывая электростатическое взаимодействие, притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер. Чем больше масса летящей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления. Поэтому траектория протонов и более тяжелых ядерных частиц практически прямолинейна, а траектория электронов сильно изломана вследствие рассеяния на орбитальных электронах и ядрах атомов. Этот вид взаимодействия легких частиц, при котором практически меняется лишь направление их движения, а не энергия, иногда называют упругим рассеянием в отличие от неупругого рассеяния (торможения), которое наблюдается при прохождении электрона очень высокой энергии вблизи ядра. При этом скорость летящего электрона снижается, и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного излучения, о котором говорилось ранее.
Кроме длины пробега, корпускулярные и электромагнитные излучения различаются пространственным распределением вызываемых ими актов ионизации.
Энергию, переданную заряженной частицей на единице длины ее пробега в веществе, называют линейной передачей энергии (ЛПЭ) и измеряют в кэВ/мкм.
Понятие ЛПЭ было введено Р. Цирклем в 1954 г. В зависимости от значения ЛПЭ, а следовательно, от плотности ионизации, все ионизирующие излучения делят на редкоионизирующие (ЛПЭ < 10кэВ/мкм)иплотноионизирующие(ЛПЭ > 10кэВ/мкм).
Гамма-излучение 60Со и рентгеновское излучение с длиной волны ~ 20 нм (генерируемое при напряжении на трубке 250 кэВ) имеют ЛПЭ, соответственно равное « 0,3 и 2 кэВ/мкм, нейтроны с энергией 14 МэВ — 12 кэВ/мкм, а ускоренные тяжелые заряженные ядерные частицы — от 100 кэВ/мкм и выше.
ЛПЭ связана как с физической природой излучения, так и с энергией кванта или частицы. Например, в современных ускорителях тяжелые частицы разгоняют до столь больших энергий, что их скорость приближается к скорости света. В этом случае ЛПЭ всех частиц снижается до минимального значения, характерного для редкоионизирующих легких частиц (например, электронов) с энергией 1 МэВ. Поэтому при очень большой скорости движения быстрые протоны и электроны имеют одинаковую ЛПЭ, несмотря на отличие по массе в 1800 раз. ЛПЭ заряженных частиц возрастает со снижением их скорости, поэтому в конце пробега передача
энергии заряженной частицей веществу максимальна, что приводит к характерному распределению ионизации, описываемому так называемой кривой Брэгга (рис. 4.3). Эту особенность взаимодействия моноэнергетиче- ских тяжелых ядерных частиц с веществом, а именно повышение дозы на глубине с последующим ее спадом до нуля, используют при лечении опухолей, так как она позволяет сосредоточить значитель
ную энергию именно на пораженной ткани, избегая облучения находящихся за опухолью тканей; к тому же тяжелые заряженные частицы характеризуются минимальным боковым рассеянием походу пучка (см. гл. 21).
Нейтроны. Нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов; достигая ядер, они либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них. При
упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь 10—15% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода — протонами, энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое, передаваясь протону отдачи (рис. 4.4). Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода (воду, особенно тяжелую, парафин), используют для защиты от нейтронного излучения.
Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, порождают протоны, а-частицы и фотоны у-излучения, также способные производить ионизацию. При таких ядерных реакциях могут образовываться радиоактивные изотопы элементов. Ионизируют вещество и сами ядра отдачи, возникающие при ядерных превращениях.
Таким образом, и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или фотонами. Следовательно, преимущественный вклад того или иного вида ядерного взаимо-
энергиейэнергиейРис. 4.4. Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого материала. Часть энергии нейтрона передается протону отдачи в качестве кинетической. Нейтрон рассеяния отклоняется от прежнего направления и обладает меньшей энергиейРис. 4.4. Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого материала. Часть энергии нейтрона передается протону отдачи в качестве кинетической. Нейтрон рассеяния отклоняется от прежнего направления и обладает меньшей энергией
энергией
энергией
Рис. 4.4. Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого материала. Часть энергии нейтрона передается протону отдачи в качестве кинетической. Нейтрон рассеяния отклоняется от прежнего направления и обладает меньшей энергией
Рис. 4.4. Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого материала. Часть энергии нейтрона передается протону отдачи в качестве кинетической. Нейтрон рассеяния отклоняется от прежнего направления и обладает меньшей энергией
действия нейтронов зависит от их энергии, а также от состава облучаемого вещества. По величине энергии различают четыре вида нейтронов.
Быстрые нейтроны (с энергией более 100 кэВ).
ооЭнергия нейтронов, МэВЭнергия нейтронов, МэВК быстрым относят прежде всего нейтроны деления, образующиеся в ядерных реакторах при делении ядер 235U, а также при спонтанном распаде 252Cf. Нейтроны деления обладают широким спектром энергий с модальной величиной 1 МэВ (рис. 4.5, 7). Быстрые нейтроны получают и в циклотронах в результате бомбардировки дейтронами (ускоренными до энергии в несколько МэВ) бериллиевой мишени. В зависимости от энергии дейтронов образуются нейтроны соответствующих энергий. Спектр нейтронов со средней энергией 6 МэВ, полученных при использовании дейтронов, ускоренных до 15 МэВ, приведен на рис. 4.5, 2. Наконец, в результате ядерной реакции, возникающей при облучении тритие- вой мишени пучками дейтронов, ускоренных до энергии около 14 МэВ, образуются практически моноэнергетические нейтроны с энергией 14 МэВ (рис. 4.5, 3\
о
о
Энергия нейтронов, МэВ
Энергия нейтронов, МэВ
Рис. 4.5. Энергетические спектры быстрых нейтронов, получаемых из трех наиболее распространенных источников (пояснение в тексте)
Промежуточные нейтроны (с энергией от 100 до 1 кэВ).
Медленные нейтроны (с энергией меньше 1 кэВ).
Тепловые нейтроны (обладающие энергией теплового движения, которая составляет при комнатной температуре около 0,025 эВ).
Наибольшее практическое значение в радиобиологии имеют быстрые нейтроны, наиболее глубоко проникающие в ткани. Все остальные, однако, образуются по мере замедления быстрых нейтронов и вносят свой вклад в общий процесс поглощения энергии.
Интересной для медицины особенностью взаимодействия тепловых нейтронов с веществом является очень высокое сечение их захвата атомами одного из изотопов бора — 10В, а также гадолиния — l57Gd. При захвате теплового нейтрона атомом бора происходит его распад на ядро лития и а-частицу с выделением у-кванта. Вылетевшие атомы лития и а-частицы характеризуются пробегом в несколько мкм, соизмеримым с размерами клетки, и высокой плотностью ионизации, что послужило основой для создания метода нейтронзахватной терапии (подробнее см. гл. 21), применение которой возможно в случае, когда удается достичь больших различий в накоплении |0В между опухолевыми клетками и нормальными тканями. При захвате теплового нейтрона атомом l57Gd испускаются короткопробежные и плотноионизирующие электроны Оже, электроны конверсии и у-кванты.
л-Мезоны. Это отрицательно заряженные элементарные частицы с массой, в 273 раза превышающей массу электрона. Их получают на мощных синхроциклотронах, генерирующих пучки протонов с энергией в сотни МэВ. л-Мезоны обладают уникальной способностью взаимодействия с ядрами атомов. Эти частицы с энергиями 25—100 МэВ проходят весь путь в ткани до полного торможения почти без ядерных взаимодействий, а в конце пробега захватываются ядрами атомов ткани. Так как при этом в ядро вносится энергия в 140 МэВ, равная массе покоя л-мезона, то, как правило, каждый акт поглощения л-мезона сопровождается разрушением ядра и вылетом из него нейтронов, протонов и таких сильноионизирующих частиц, как а-частицы, ионы Li, Be и других, создающих большое локальное энерговыделение («микровзрыв») вблизи места захвата. Эта важная особенность л-мезонов явилась основанием для начала их применения в лучевой терапии опухолей, впрочем, очень ограниченного высокой стоимостью и трудоемкостью осуществления на фоне не столь больших отличий в эффективности по сравнению с другими методами, прежде всего 44
с использованием пучков ускоренных протонов и более тяжелых ионов.
Итак, все виды ионизирующих излучений сами или опосредованно вызывают либо возбуждение, либо ионизацию атомов или молекул биосистем. Однако при облучении объектов разными видами ионизирующей радиации в равных дозах возникают количественно, а иногда и качественно различные биологические эффекты, что связано с пространственным распределением энергии, выделяющейся при взаимодействии в облучаемом микрообъеме, т. е. с ЛПЭ.
Для сравнительной количественной характеристики биологического действия различных видов излучения определяют их относительную биологическую эффективность (ОБЭ). Этому вопросу посвящена гл. 10. Здесь лишь заметим, что ОБЭ излучения в основном определяется его ЛПЭ.
Единицы дозы излучения и радиоактивности
Дозу падающего на объект излучения можно оценить, преобразуя его в теплоту и измеряя повышение температуры. Однако при дозах, используемых в радиобиологии, количество образующейся теплоты столь ничтожно, что его измерение представляется трудной задачей, и соответствующее оборудование имеется только в ведущих национальных лабораториях. Поэтому на практике для оценки доз применяют другие физические и химические методы. Для этого используют ионизационные камеры (измеряют электрический ток, возникающий вследствие ионизации содержащегося в камерах газа), различные химические системы (учитывают выход определенных веществ в процессе радиолиза, например железа, образуемого при облучении раствора ферросульфата), изменения физико-химических свойств специальных материалов и др.
Вопросы радиационной дозиметрии составляют специальную область ядерной физики, поэтому здесь будет дано лишь краткое описание основных понятий и существующих единиц измерения.
Общее представление о количестве падающей на объект энергии излучения за время облучения может быть получено измерением так называемой экспозиционной дозы (А).
X = da/dm,
где da — полный заряд ионов одного знака, возникающих в воздухе при торможении всех вторичных электронов, образованных фо-
45
тонами в малом объеме воздуха; dw — масса воздуха в этом объеме. Единица экспозиционной дозы выражается в кулонах на килограмм (Кл/кг) и позволяет лишь ориентировочно оценивать степень повреждения объекта, поскольку оно может вызываться только поглощенной объектом энергией. Поэтому необходимо определять количество энергии, выделяющейся в облучаемом материале, т. е. величину поглощенной дозы (D) излучения, под которой понимают среднюю энергию d£, переданную излучением веществу в некотором элементарном объеме, деленную на массу вещества dw в этом объеме: D = dE/dw. Единицей поглощенной дозы служит грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг.
Для сравнительной оценки биологического действия различных видов излучений и смешанных или неидентифицированных потоков излучения используют специальную единицу — бэр.
При оценке радиационной опасности отдаленных последствий применяют понятие эквивалентной дозы, которая определяется как средняя величина поглощенной дозы в том или ином органе или ткани с учетом фактора качества (взвешивающего коэффициента) излучения. Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).
При оценке эффективности действия радиоактивных изотопов расчет поглощенных доз, создаваемых ими как при внешнем облучении, так и при попадании внутрь организма (инкорпорировании), производят исходя из вида и энергии излучения, а также «активности» инкорпорированного изотопа. За единицу радиоактивности, получившую название беккерель (Бк), принято одно ядерное превращение в секунду.
Для характеристики распределения поглощенной дозы во времени используют величину мощности поглощенной дозы, или интенсивности облучения. Под этим понимают количество энергии излучения, поглощаемой в единицу времени (1 ч, 1 мин, 1 с) единицей массы вещества.
При облучении организма различают также острое и пролонгированное (синоним — протрагированное), однократное и многократное (синоним — фракционированное) облучение. Под острым понимают кратковременное облучение при высокой мощности дозы (доли грея в минуту и выше), под пролонгированным — облучение при низкой мощности дозы (доли грея в час и ниже). Как острое, так и пролонгированное облучение может быть однократным или фракционированным. Кроме того, известно хроническое облучение, которое можно рассматривать как разновидность фракционированного, но проводящегося очень длительно и в малых дозах.
Луис Гарольд ГрейЛуис Гарольд ГрейРольф Максимилиан ЗивертРольф Максимилиан Зиверт
Луис Гарольд Грей
Луис Гарольд Грей
Рольф Максимилиан Зиверт
Рольф Максимилиан Зиверт
Распределение дозы различных по Л ПЭ излучений во времени может значительно и по-разному сказываться на непосредственных эффектах и особенно на отдаленных последствиях облучения, в связи с чем определению временного распределения дозы в радиобиологии уделяют серьезное внимание.
Все приведенные выше величины даны в единицах Международной системы (СИ, Система Интернациональная). До этого в радиобиологии использовали другие — внесистемные единицы — рентген, рад, кюри и их производные.
Как внесистемные (рентген, кюри), так и единицы Международной системы (беккерель, грей, зиверт) являются эпонимическими (образованными от имени ученых) в память о наиболее выдающихся исследователях. С заслугами В. Рентгена, П. Кюри и А. Беккереля читатель был ознакомлен во 2-й главе. Честь возведения Луиса Гарольда Грея — лауреата премии им. Рентгена — в ранг эпонима оправдана его миссией физика, целиком посвятившего себя радиобиологии и установившего количественные связи между физическими и биологическими эффектами ионизирующего излучения. Его имя присвоено крупнейшему английскому институту, являющемуся общепризнанным международным научно-исследовательским центром в области радиационной онкологии.
Шведский исследователь Рольф Максимилиан Зиверт знаменит своими исследованиями в области дозиметрии и радиацион- 47
ной безопасности. По его инициативе, в частности, создана сеть станций наблюдения за радиоактивным загрязнением планеты.
В табл. 4.2 приводятся справочные материалы, позволяющие выполнить расчеты по переводу основных радиационных величин, выраженных во внесистемных единицах, в единицы Международной системы и обратно. Для каждого типа расчетов даны числовые примеры с промежуточными преобразованиями, поясняющие способ получения конечного результата и порядок выполняемых расчетов. Заметим, что включенная в табл. 4.2 единица эквивалентной дозы излучения — зивертов (Sv, Зв) была принята на XVI Генеральной конференции по мерам и весам (Париж, октябрь 1979) и предназначена только для использования в области радиационной безопасности (см. гл. 10 и 24).
Таблица 4.2. Основные физические величины, используемые в радиационной биологии, и их единицы
Физическая величина
Единица, ее наименование, международное и русское обозначение
Соотношение между единицами
внесистемная
международной системы
внесистемной и Международной системы
международной системы и внесистемной
Активность нуклида в радиоактивном источнике
кюри (Ci, Ки)
беккерель (Bq, Бк)
1 Ки = = 3,7 ■ 10'" Бк
1 Бк = = 2,7 х 10"'1 Ки
Экспозиционная доза излучения
рентген (R, Р)
кулон на килограмм (C/kg, Кл/кг)
1 Р =
- 2,58 • 104 Кл/кг
1 Кл/кг = = 3876 Р
Мощность экспозиционной дозы излучения
рентген в секунду (R/s, Р/с)
ампер на килограмм (A/kg, А/кг)
1 Р/с=
= 2,58 X КГ4 А/кг
1 А/кг = = 3876 Р/с
Поглощенная доза излучения
рад (rad, рад)
грей (Gy, Гр)
1 рад = = 0,01 Гр
1 Гр = = 100 рад
Мощность поглощенной дозы излучения
рад в секунду (rad/s, рад/с)
грей в секунду (Gy/s, Гр/с)
1 рад/с = = 0,01 Гр/с
1 Гр/с= = 100 рад/с
Примеры расчетов при переходе от внесистемных единиц к единицам Международной системы
4500 Ки = 4500 • 3,7 • 1010 Бк = 166 - 1012 Бк = 166 ТБк
500 Р= 500 - 2,58/104Кл/кг= 129 • 10"3кл/кг = 129 мКл/кг
90 Р/мин = (90/60) Р/с = 1,5 • 2,58 ■ 10-4 А/кг = 0,387 • 10-3А/кг = = 0,387 мА/кг
48
200 рад =200 -0,01 Гр = 2 Гр
60 рад/мин = 60 • 0,01 Гр/мин = 0,6 Гр/мин
Примеры расчетов при переходе от единиц Международной системы к внесистемным единицам
ГБк = 5,55 • 109 • 2,7 • 1О'нКи=15- 1 (Г2 Ки = 150 мКи
мКл/кг = 77,4 • 10-3 • 3876 Р = 3 • 105 • 10"3 Р = 300 Р 0,215 мА/кг = 0,215 • 10~3 - 3876 Р/с = 0,833 Р/с (или 0,833 • 60 = = 50 Р/мин)
4,5 Гр = 4,5 • 100 рад = 450 рад
75 мГр/мин = 75 • 10-3 • 100 рад/мин = 7,5 рад/мин
РЕЗЮМЕ
Существуют два типа ионизирующих излучений — электромагнитные и корпускулярные.
К электромагнитным относят рентгеновское и у-излуче- ние, а к корпускулярным — заряженные (а-, р- (электроны) частицы, протоны и л-мезоны) и нейтральные (нейтроны) частицы.
Энергию, теряемую частицами на единице ее пробега в веществе, называют линейной передачей энергии (ЛПЭ) и измеряют в кэВ/мкм.
Различают редко ионизирующие (ЛПЭ < 10 кэВ/мкм) и плотноионизирующие (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм) излучения.
ЛПЭ разных типов ионизирующих излучений в большой степени определяет их биологическую эффективность.
Поглощенная доза (D) — средняя энергия d£, переданная излучением в некотором элементарном объеме вещества, деленная на его массу d/и в этом объеме: D = dE/d/и. Единицей поглощенной дозы является грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг.
Эквивалентная доза — средняя поглощенная доза любого вида ионизирующей радиации в органе или ткани с учетом фактора качества излучения. Используется в области радиационной безопасности. Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).
5
ГЛ А В А
ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Две причины разрыва межатомных связей в молекуле-мишени при действии радиации — выделение энергии в самой мишени и ее атака водными радикалами, образующимися при ионизации окружающих ее молекул воды
Продукты радиолиза воды, участвующие в поражении биологических макромолекул
Соотношение объемов поражения, вызванных прямой ионизацией мишени и ее атаками радикалами воды
Особенности проявления косвенного действия радиации
В предыдущей главе были рассмотрены основные процессы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, результатом которых является ионизация атомов и молекул. Но это только самый первый «акт драмы», разыгрывающейся в клетке. В радиобиологии его рассматривают как «прямое» действие радиации. Его результатом является изменение макромолекул, в первую очередь такой громадной структуры, как ДНК, а также образование нескольких высокореакционных продуктов из молекул воды, составляющей основную (80—90% вещества) массу клетки.
Продукты радиолиза воды реагируют как между собой, так и с органическими компонентами клетки, приводя к разрушению их молекулы. Этот путь лучевого поражения жизненно-важных структур клетки носит в радиобиологии название косвенного механизма действия излучения. Итак, под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате утери или приобретения электрона самими рассматриваемыми молекулами («мишенями»). Под косвенным действием понимают изменения этих мишеней, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) окружающей эти молекулы воды и растворенных в ней низкомолекулярных соединений, а не энергией излучения, поглощенной самими исследуемыми молекулами (рис. 5.1).
При радиолизе молекула воды ионизируется, теряя электрон:
Н2О -► Н2О++е-
Ион радикал Н2О+реагирует с нейтральной молекулой воды 50
Н2О++Н2О -> Н30+ + он*,
в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила ОН*.
Высвобожденный из молекулы воды электрон взаимодействует с окружающими молекулами воды; при этом возникает возбужденная молекула Н2О*, которая диссоциирует с образованием двух радикалов: Н* и ОН*
Н2О++е~ -> Н2О* -> Н* + ОН*
Радикалы ОН* ответственны более чем за половину радиационных поражений молекул ДНК, так как они способны к диффузии на расстояние около 1 нм. Радиус двойной спирали молекулы ДН К близок к 1 нм, так что ее сечение (лК2) равно 3,14 нм2. Площадь, с которой к ДНК могут доходить радикалы, равна 3,14 • 22 нм2 — — 3,14 нм2 = 9,42 нм2, т.е. втрое больше, чем площадь сечения самой молекулы ДНК. Естественно, что часть образующихся в этом кольце воды радикалов диффундируют не в сторону ДНК и не принимают участие в ее поражении.
В присутствии кислорода образуются и другие продукты радиолиза, обладающие окислительными свойствами: гидроперок- сидный радикал НО*2, пероксид водорода Н2О2 и атомарный кислород:
Н* + О2 -» НО2*
НО*2 +НО*2 -> Н2О2 + 20
Кроме окислительных продуктов, в процессе радиолиза воды возникает стабилизированная форма электрона — гидратированный электрон (е~ aq). Он обладает высокой реакционной способностью, но уже в качестве восстановителя. Другим восстановителем, образующимся при радиолизе воды, является атомарный во-
Рис. 5.1. Прямое (7) и косвенное(77) действие ионизирующегоизлучения на клетку.
— мишени; ~* — излучение;
- - - — диффузия свободных радикаловк молекулам-мишеням
Рис. 5.2. Продукты радиолизаводы. Тонкие стрелки внизупоказывают возможные реакциис участием гидратированногоэлектрона
дород. Процесс радиолиза воды упрощенно представлен на рис. 5.2, а схема первичных физико-химических процессов на пути от ионизации к конечному биологическому эффекту приведена на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Схема первичных физико-химических процессов на пути от ионизации к конечному биологическому эффектуРис. 5.3. Схема первичных физико-химических процессов на пути от ионизации к конечному биологическому эффектуЕще раз отметим, что продукты радиолиза, в первую очередь свободные радикалы, содержащие неспаренные электроны, характеризуются чрезвычайно высокой реакционной способностью, так что время их существования составляет от 10-10 до долей секунды. За этот период они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с находящимися рядом органическими соединениями.
Рис. 5.3. Схема первичных физико-химических процессов на пути от ионизации к конечному биологическому эффекту
Рис. 5.3. Схема первичных физико-химических процессов на пути от ионизации к конечному биологическому эффекту
«Цель» радикала состоит в том, чтобы освободиться от неспаренного электрона — передать его другой молекуле или отнять у нее электрон для образования пары и превратиться тем самым из радикала в «стабильную» молекулу.
Изменения облучаемого субстрата в клетке, возникающие на каждом из этапов, не всегда являются окончательными. Как правило, они имеют промежуточный характер, так как наряду с реализацией повреждения может произойти и восстановление исходного состояния.
Первые исследования косвенного действия радиации были проведены в 30-е годы прошлого века Г. Фрикке, изучавшим радиохимические изменения в растворах неорганических и простых органических соединений, а затем У. Дейлом, исследовавшим растворы ферментов. Был установлен парадоксальный факт, что число измененных излучением молекул не было прямо связано с их общим количеством в растворе (т.е. концентрацией), в то время, как, казалось бы, чем больше в растворе находится изучаемых молекул, тем выше вероятность их повреждения радиацией и тем больше должно быть абсолютное число пораженных молекул. Для объяснения этого парадокса и была выдвинута теория косвенного действия радиации, указывающая, что поражение изучаемых молекул происходит не только за счет прямого попадания в них ионизирующего излучения (в виде квантов или уже в виде электронов, образовавшихся в других молекулах), но и за счет диффузии к ним продуктов радиолиза молекул воцы. Так как вода занимает весь облучаемый объем, то количество подвергнутых радиолизу молекул воды при данной дозе излучения постоянно, и их хватает только для поражения определенного числа молекул изучаемого вещества (при не слишком разбавленных растворах). Увеличение концентрации изучаемого вещества сверх определенной величины в этих условиях не должно сопровождаться пропорциональным увеличением числа пораженных молекул.
Таким образом, при косвенном действии радиации, независимо от разведения раствора, абсолютное число поврежденных молекул остается постоянным, а доля их от общего числа изменяется обратно пропорционально их концентрации. Например, в опытах Г. Фрикке (рис. 5.4) при облучении 1 л раствора муравьиной кислоты в дозе 100 Гр выделялось 25 мкмоль водорода независимо от того, содержал ли облучаемый объем 10~4 моль (черные кружки)
Рис. 5.4. Независимость абсолютного радиационного выхода от концентрации растворенного вещества (объяснения в тексте)Рис. 5.4. Независимость абсолютного радиационного выхода от концентрации растворенного вещества (объяснения в тексте)или 10"' моль (светлые кружки) кислоты. Следовательно, одно и то же количество распавшихся молекул муравьиной кислоты — в данном случае 25 мкмоль, — составляло в более слабом растворе 25% от общего количества растворенной кислоты, а в более концентрированном — 0,025%. Лишь при очень сильном разбавлении часть радикалов, взаимодействуя друг с другом, не реагировала с растворенным веществом, в связи с чем увеличивалась величина инактивирующей дозы.
Рис. 5.4. Независимость абсолютного радиационного выхода от концентрации растворенного вещества (объяснения в тексте)
Рис. 5.4. Независимость абсолютного радиационного выхода от концентрации растворенного вещества (объяснения в тексте)
В отличие от косвенного, при прямом действии радиации число инактивированных молекул при заданной дозе увеличи
вается пропорционально концентрации раствора, а их доля от общего числа молекул остается постоянной (рис. 5.5).
При изучении относительной роли прямого и косвенного дей
ствия радиации в инактивировании клетки основным подходом явилось использование перехватчиков водных радикалов. Дж. Чепмен с помощью введения в среду 2—3 М диметилсульфоксида показал, что при облучении клеток китайского хомячка радикалы ОН* отвечают примерно за 57% поражения клеток в условиях нормальной оксигенации и за 25% поражения при облучении в аноксии. В последнем случае снижение роли косвенного действия объясняется отсутствием таких активных радикалов, как НО 2, а также Н2О2. Оценки показывают, что в инактивации клетки в состоянии полной оксигенации вклад косвенного действия радиации достигает 70—90%. Косвенное действие радиации, осуществляемое радикалами и ион радикалами, может модифицироваться химическими соединениями, в то время как для прямого действия радиации химическая модификация эффекта невозможна.
Термины прямого и косвенного действия радиации в радиобиологии целесообразно использовать в только что описанном смыс-
аб
Рис. 5.5. «Эффект разведения». Зависимость инактивации фермента иливируса от его концентрации в растворе при прямом (7) или косвенном (2)действии излучения (по 3. Баку и П. Александеру)
ле. Особенно это касается косвенного действия радиации, поскольку в радиобиологии известно множество эффектов непрямого действия радиации. Наиболее близким является образование в облученных клетках и выделение в окружающую среду относительно долгоживущих, по крайней мере в течение многих минут, продуктов, вызывающих генетические изменения и гибель помещенных в эту среду интактных клеток. По ряду особенностей такие продукты можно отнести к веществам белковой природы. Известно также образование при облучении полной, т.е. содержащей сыворотку, питательной среды для культур клеток неких веществ, вызывающих нарушение роста посеянных на такой среде интактных клеток. Предполагается, что в среде образуются долгоживущие производные кислорода, причем на ДНК интактных клеток они действуют как непосредственно, так и меняя клеточный метаболизм, например, активируя NADPH-оксидазы цитоплазматических мембран. В результате в необлученной клетке воспроизводятся такие же активные формы кислорода, как и при облучении самой клетки. Множество эффектов непрямого действия радиации зафиксировано по изменениям в полностью экранированных тканях организма при облучении других его тканей.
Эти обстоятельства надо иметь в виду при использовании таких близких по смыслу в обычной речи терминов, как косвенное и непрямое (опосредованное) действие радиации.
РЕЗЮМЕ
Выделение энергии ионизирующих излучений в ключевых структурах, в первую очередь ДНК, называемое «прямым действием» излучений, ответственно за 10—20% лучевого поражения; «косвенное действие» радиации, при котором поражение критических структур осуществляется продуктами радиолиза окружающей их воды, ответственно за 80—90% лучевого поражения.
Именно косвенное действие радиации усиливается или ослабляется с помощью химических модификаторов.
6
Г Л А В A
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Виды радиационных повреждений ДНК и механизмы их репарации
Радиационные поражения ДНК и задержка прохождения клеточного цикла
Индукция и реализация программируемой смерти клетки (апоптоза)
При облучении клетки поражаются все ее структуры. Вероятность поражения тех или иных молекул определяется их размером: чем крупнее молекула, тем, естественно, больше вероятность ее повреждения. Именно поэтому в качестве основной мишени радиационного поражения клетки рассматривается ДНК.
Общая длина всех молекул ДНК в клетке человека составляет около 2 м. ДНК распределена по 46 хромосомам, в каждой хромосоме имеется только одна молекула ДНК (до ее репликации при подготовке клетки к делению), длина которой, в зависимости от размера хромосомы, варьирует от 1,7 до 8,5 мм. Гены, кодирующие тот или иной белок, находятся только в двух хромосомах, одна из которых унаследована от отца, а другая — от матери. Ген, наличие которого определяет мужской пол ребенка, представлен в клетке в единичной копии в К-хромосоме.
Для разных областей биологической науки важны разные особенности строения ДНК. Здесь укажем на те, которые существенны для понимания механизма действия ионизирующих излучений на клетку.
Основой молекулы ДНК являются две нити (также называемых цепями, или цепочками), построенные из повторяющихся участков (звеньев), образуемых дезоксирибозой (относящейся в химическом плане к сахарам) и фосфорной кислотой, которые, в свою очередь, соединены между собой эфирными связями (рис. 6.1). Эта часть ДНК называется ее сахаро-фосфатным скелетом (или остовом молекулы). К каждому кольцу дезоксирибозы присоединено одно из четырех оснований — пуриновых (аденин или гуа-
Рис. 6.1. Строение одной из двух нитей ДНК:
/ — сахаро-фосфатный скелет; 2—пятичленный сахар (дезоксирибоза); 3 — основание (в данном случае аденин); -/—нуклеозид (в данном случае дезоксиаденозин)
нин) или пиримидиновых (тимин или цитозин). Основание вместе с дезоксирибозой образует нуклеозид.
Строительными элементами ДНК являются нуклеотиды — нуклеозиды, у которых дезоксирибоза соединена с остатком фосфорной кислоты (фосфорилированные нуклеозиды). Каждое из оснований имеет две или три водородные связи с одним из оснований противоположной нити ДНК (аденин — с тимином, гуанин — с цитозином). Одна из нитей определяет генетическую информацию клетки и с нее считывается информация по расположению аминокислот в белках, а вторая служит для точного воспроизведения этой нити в процессе удвоения ДНК при подготовке клетки к делению.
В клетке различные участки ДНК одной и той же молекулы находятся очень близко друг к другу из-за многократного сворачивания ДНК в структуры все большего и большего диаметра (рис. 6.2). Двойная спираль ДНК имеет диаметр 1,7 нм (эта величина часто для простоты принимается равной 2 нм), расстояние между витками спирали равно 3,4 нм (см. рис. 6.2, а). Участки нити ДНК длиной около 200 пар нуклеотидов периодически сворачиваются вокруг структур, образованных белками основного характера — гистонами, формируя нуклесомы диаметром 11 нм (рис. 6.2, б). ДНК, связанную с белком, называют хроматином, а всю структуру — «бусинками (нуклеосомы) на нитке».
Нуклеосомная нить в свою очередь складывается в структуры диаметром 30 нм (рис. 6.2, <?), образующие так называемые гигант- 58
Рис. 6.2. Строение участка молекулы ДНК и ее пространственная упаковка в интерфазном ядре и (после конденсации) в хромосоме делящейся клетки:
а — двойная спираль ДНК; б— молекула ДНК, свернутая в нуклеосомы;
в — нуклеосомная нить; гид — следующие уровни хроматина (пояснения в тексте)
ские петли общей длиной 300 тыс. пар оснований. Эти петли строго фиксируются внутри ядра, прикрепляясь белковым «якорем» к ядерной мембране и фибриллярной сети ядерного матрикса. Каждая гигантская петля хроматина в нескольких точках прикрепляется к молекуле топоизомеразы II, создавая структуру, называемую розеткой, лепестки которой образуются нитью ДНК длиной 50 тыс. пар оснований.
Следующие уровни упаковки хроматина — петли шириной 300 нм, из которых формируются петли шириной 700 нм, располагающиеся поперек хроматиды (см. рис. 6.2, г). Хромосома в метафазе состоит из двух хроматид, одна из которых образована «родительской», а вторая — синтезированной в S-периоде новой нитью ДНК (см. рис. 6.2, д). Хроматиды соединены между собой центромерой (Ц), образуя хромосому. В анафазе хроматиды отделяются
друг от друга и расходятся к полюсам деления клетки. В этот момент бывшие хроматиды начинают называться хромосомами дочерних клеток.
Плотность упаковки отдельных участков ДНК постоянно меняется, что связано с синтезом на ней РНК в момент считывания информации для синтеза белков, а также с репликацией (удвоением) ДНК при подготовке клетки к делению. С позиций радиобиологии важен факт теснейшего пространственного расположения различных частей одной и той же молекулы ДНК в интерфазной клетке и в хромосоме (см. рис. 6.2, г) и, кроме того, близкое расположение молекул ДНК, принадлежащих разным хромосомам.
Радиационные повреждения ДНК
В результате прямой ионизации самой молекулы ДНК и ее атаки радикалами ОН* происходит разрыв химических связей между атомами. Разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете нарушает непрерывность нити ДНК. Если разорвана одна из нитей, говорят об однонитевом или одиночном разрыве. Совпадение разрывов противоположных нитей ДНК в одной точке приводит к появлению двойных (двунитевых) разрывов. Известно, что одиночные разрывы постоянно возникают в клетке и без всякой связи с облучением, просто вследствие тепловой нестабильности ДНК, а также в результате некоторых окислительных и ферментативных процессов. Более того, одиночные разрывы даже необходимы: при репликации ДНК молекула должна быть расплетена на участке синтеза, для чего одна нить должна иметь возможность вращаться относительно другой, чего невозможно достичь без ее разрыва. Предполагается, однако, что при облучении возникают не только одиночные разрывы, аналогичные возникающим спонтанно, но еще появляются «комплексные», при которых в скелете ДНК рядом находится сразу несколько разорванных связей; такие разрывы репарируются хуже, чем возникающие в нормальных условиях.
Двойные разрывы образуются как при случайном пространственном совпадении одиночных разрывов в противоположных нитях ДНК (вероятность которого возрастает с увеличением накопленной дозы редкоионизирующего излучения), так и вследствие одномоментного повреждения обеих нитей при выделении в данном микрообъеме клетки большого количества энергии. Даже при действии редкоионизирующих излучений выделение энергии по объему клетки происходит не абсолютно равномерно, а дискрет - 60
ными порциями разной величины, так что в примерно равном объеме атомам может быть передано от нескольких электрон-вольт до нескольких сот электрон-вольт. При действии плот- ноионизирующих излучений общее число разорванных межатомных связей будет таким же, однако они будут менее равномерно распределены по длине молекулы ДНК. Общее число очагов поражения будет меньшим, зато «тяжесть» (концентрация разорванных межатомных связей на единицу микрообъема) каждого из них будет больше. Таким образом, при действии плотноионизирую- щих излучений число двойных разрывов на единицу дозы оказывается выше, чем при действии редкоионизирующих видов радиации. Так как одиночные разрывы репарируются гораздо лучше, чем двойные, тяжесть поражения клетки с увеличением доли двойных разрывов возрастает. Именно это и служит причиной более высокой относительной биологической эффективности (см. гл. 10) плотноионизирующих излучений.
Разрыв межатомных связей в сахаро-фосфатном скелете ведет к нарушению непрерывности молекулы ДНК, что препятствует считыванию с нее генетической информации (если разрыв приходится на транскрибируемый участок генома), а также нормальной репликации ДНК и последующему распределению генетического материала между клетками. Разрыв скелета может сопровождаться разрывом связей в той части молекулы дезоксирибозы, которая не участвует в построении скелета ДНК. Такое повреждение рассматривается одновременно и как разрыв, и как повреждение нуклеотида.
Если в молекуле дезоксирибозы разорвана одна из связей, не участвующих в построении скелета ДНК, то принято говорить о повреждении нуклеотида, а если в нуклеотиде повреждена одна из связей в пуриновом или пиримидиновом основании, то говорится о повреждении основания (а не нуклеотида, хотя основание является частью нуклеотида). Поврежденные основания и нуклеотиды подвергаются дальнейшим химическим изменениям. Примером является окисление гуанина до 8-оксогуанина. Атака ДНК высокоактивными радикалами воды приводит к модификации оснований, например, присоединение радикала ОН* к тимину превращает его в тимингликол.
Разрывы скелета ДНК частично элиминируются самостоятельно, частично с помощью систем ферментативной репарации. Репарация не всегда заканчивается восстановлением исходной молекулы. Вместо воссоединения разорванной связи может возникнуть связь между свободными концами двух противополож-
61
ных нитей молекулы ДНК, между свободными концами в местах разных разрывов одной и той же нити ДНК и даже между свободными концами разных молекул ДНК. Такое разнообразие новых связей является следствием того, что нити ДНК в ядре упакованы весьма плотно. Неправильное воссоединение разрывов приводит к возникновению хромосомных перестроек (аберраций, см. гл. 7). Разрывы молекулы ДНК и окружающих ее белков при неправильном воссоединении приводят к образованию ДНК-белковых сшивок.
Неверная репарация оснований, а также их химическая модификация ведет к еще одному дефекту молекулы — появлению так называемых неспаренных (англ.— mismatch) оснований. В молекуле ДНК в норме существуют только две пары комплементарных оснований — аденин-тимин и гуанин-цитозин. Замена одного из оснований каждой пары ведет к изменению генетического кода. Выше говорилось о появлении в молекуле 8-оксогуанина вследствие окисления гуанина. Во время репликации ДНК в синтезируемой цепи вместо комплементарного к гуанину цитозина напротив 8-оксогуанина будет вставлен аденин. При синтезе информационной РНК неверное основание приведет к неправильной кодировке и последующему включению в белковую молекулу ошибочного аминокислотного остатка. Помимо этого, некомплементарное основание меняет геометрию молекулы ДНК.
Некомплементарные основания образуются не только в результате облучения, но возникают и спонтанно как дефекты сложного процесса репликации ДНК. Поэтому системы репарации ДНК всегда активно работают в клетке, вне какой-либо связи с воздействием ионизирующей радиации. Однако облучение увеличивает как общее количество дефектов, так и создает поражения, которые по количеству на единицу длины молекулы превосходят повреждения, возникающие в нормальных условиях.
При воздействии редкоионизирующего излучения в дозе 2 Гр, вызывающем гибель от 10 до 90% клеток разных тканей человека, в ДНК одной клетки образуется около 2000 однонитевых и 80 двуни- тевых разрывов, повреждается 1000 оснований и формируется 300 сшивок с белком. Именно эти поражения и лежат в основе радиационной гибели клетки, длительного нарушения эффективности деления ее потомков и злокачественного перерождения, а в случае воздействия на половые клетки — и генетических последствий облучения родителей для потомства.
Репарация радиационных повреждений ДНК
Как уже упоминалось, в ДНК постоянно возникают разрывы межатомных связей, так что само существование клетки было бы невозможным, если бы она не обладала ферментативными системами репарации ДНК. Открытие и детальное изучение этих систем было проведено в радиобиологических исследованиях, что явилось серьезным вкладом радиобиологии в молекулярную биологию.
В настоящее время о работе этих систем известно довольно много, включая строение многих генов, кодирующих белки, осуществляющие репарацию. Основным источником сведений о репарации отдельных видов повреждений ДНК стали эксперименты на микроорганизмах. Выводы этих работ были проверены на клетках лабораторных животных, в том числе клетках, мутантных по различным генам репаративных белков, а также на клетках, полученных от лиц, отличающихся повышенной чувствительностью к действию ионизирующей радиации.
ЭКСЦИЗИОННАЯ РЕПАРАЦИЯ ПОВРЕЖДЕННЫХИ НЕСПАРЕННЫХ ОСНОВАНИЙ И НУКЛЕОТИДОВ
При эксцизионной репарации поврежденных или измененных (неспаренных) оснований первым шагом является их удаление ДНК-гликозилазами. Образовавшаяся брешь должна быть заполнена идентичным основанием, однако в клетке нет фермента, который мог бы это сделать. Присоединить основание к дезоксирибозе, уже находящейся в цепи ДНК, также невозможно. Дело в том, что в клетке синтез цепи ДНК сразу идет с использованием более крупных строительных элементов — фосфорилированных нуклеотидов, состоящих из основания, дезоксирибозы и трех остатков фосфорной кислоты (два из которых отщепляются во время синтеза). Таким образом, заполнить брешь надо не основанием, а нуклеотидом, но чтобы его вставить, надо освободить для него место, удалив дезоксирибозу из цепи. Эта операция выполняется в два этапа двумя ферментами — нить ДНК разрезается ДНК-эндо- нуклеазой выше и ниже места повреждения, а затем брешь расширяется примерно на 30 оснований фосфодиэстеразой (разрушающей эфирные связи между дезоксирибозой и остатками фосфорной кислоты). Расширение бреши необходимо для работы ДНК-полимераз, которые способны наращивать нить ДНК с правильной последовательностью оснований, используя в качестве
iiiiiiiraimimiiiiiiii
IIIIIIIIUIIIIIIIIIIIIIUIIIIIРасплетание геликазойРасплетание геликазойУдалениегликозидазой
IIIIIIIIUIIIII
IIIIIIIIUIIIII
Расплетание геликазой
Расплетание геликазой
РазрезаниеI Разрезание
ЗлшшшшНЗлшшшшНэндонуклеазой’ эндонуклеазой
ЗлшшшшН
ЗлшшшшН
П11111П11П11
ПолимеразнаяI Полимеразная
застройкат застройка
11111111ГниШшпТшнп1ПТ
Воссоединение I Воссоединениелигазой ’ лигазой
lllllllllllllll■lllllllllllllllll
Эксцизионнаярепарацияоснований1Эксцизионнаярепарацияоснований1Эксцизионнаярепарациянуклеотидов2Эксцизионнаярепарациянуклеотидов2
Эксцизионнаярепарацияоснований
1
Эксцизионнаярепарацияоснований
1
Эксцизионнаярепарациянуклеотидов2
Эксцизионнаярепарациянуклеотидов2
Рис. 6.3. Схема эксцизионной репарации поврежденных и неспаренныхоснований и нуклеотидов ДНК:
репарация ДНК в случае повреждения небольшого числа (/) и большого числа (2)оснований (нуклеотидов)
матрицы противоположную, интактную нить. Затем вновь синтезированная часть цепи своим вторым концом соединяется с остальной частью нити ДНК-лигазами (рис. 6.3).
Практически так же протекает и репарация поврежденных нуклеотидов, только она начинается сразу с действия ДНК-эндонуклеазы.
Если одно поврежденное основание или нуклеотид находятся вблизи другого поврежденного основания или однонитевого разрыва, то система репарации дает сбой. Либо гликозидазы не могут удалить два близко расположенных поврежденных основания, 64
либо ошибка возникает на следующем этапе — разрез противоположной нити ДНК эндонуклеазой приводит к формированию дву- нитевого разрыва, репарация которого, как говорилось выше, проходит с определенными ошибками.
РЕПАРАЦИЯ ОДИНОЧНЫХ И ДВОЙНЫХ РАЗРЫВОВ ДНК
Разрывы сахаро-фосфатного скелета молекул ДНК выявляются разными методами, наиболее демонстративным из которых является анализ распределения ДНК при центрифугировании в градиенте концентрации сахарозы. Чем больше в ДНК двойных разрывов, тем короче ее фрагменты, тем меньше их седиментационная подвижность и тем выше они будут находиться в градиенте после центрифугирования. Центрифугирование в так называемой нейтральной (по величине pH) сахарозе выявляет только двойные разрывы ДНК. Разрывы лишь одной из нитей ДНК при этом не выявляются, так как оба фрагмента разорванной нити связаны с неповрежденной комплементарной нитью и оседают как единое целое. Для выявления одиночных разрывов ДНК должна быть расплетена на одиночные нити (этот процесс называется денатурацией ДНК). Достигается это подщелачиванием среды, что приводит к разрыву водородных связей между комплементарными основаниями. При помещении ДНК в градиент сахарозы, приготовленный с добавлением щелочи, происходит денатурация ДНК, и каждая из нитей разделяется на фрагменты уже по местам одиночных разрывов. Профиль распределения ДНК по седиментационной подвижности в этом случае определяется числом одиночных разрывов. При центрифугировании ДНК, выделенной из клеток сразу после облучения, в нейтральном и щелочном градиенте определяется степень ее радиационного поражения; выделение ДНК через разные сроки после облучения позволяет оценить динамику элиминации одиночных и двойных разрывов (принято говорить о «воссоединении» разрывов ДНК).
Простые одиночные разрывы ДНК элиминируются ДНК-ли- газами, восстанавливающими связи между атомами сахаро-фосфатного скелета. Лигазы — ферменты, которые постоянно восстанавливают связи в скелете ДНК, рвущиеся в результате тепловых процессов или атаки ДНК радикалами, образующимися в процессе нормального метаболизма. При воздействии излучений часть одиночных разрывов сопровождается более глубоким повреждением дезоксирибозного кольца и/или потерей основания. В этом случае воссоздание непрерывной нити ДНК производйтся уже не
Двунитевой разрыв
11111111111111*11111111111111
//IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIВключение гомологического участка без поврежденияВключение гомологического участка без поврежденияВоссоединение лигазой (рекомбинация)Воссоединение лигазой (рекомбинация)
/
/
IIIIIIIIIIII
IIIIIIIIIIII
Включение гомологического участка без повреждения
Включение гомологического участка без повреждения
Воссоединение лигазой (рекомбинация)
Воссоединение лигазой (рекомбинация)
Процессинг Процессингконца разрыва конца разрыва
IIIIII lllllll■lll■■■llll
Воссоеди-нениелигазой
IIIIIIIIIIIIII 1111111IIII111
2
Рис. 6.4. Схема репарации двойных разрывов ДНК за счет негомологичноговоссоединения концов (У) и путем гомологичной рекомбинации (2)
ДНК-лигазами, а идет по более сложной схеме — механизму эксцизионной репарации нуклеотидов.
Репарация одиночных разрывов ДНК является эффективным и быстропротекающим процессом.
Репарация двойных разрывов ДНК является более сложной для клетки и проходит с меньшей эффективностью и большим числом ошибок. Репарация осуществляется двумя путями — за счет негомологичного воссоединения концов и методом гомологичной рекомбинации (рис. 6.4). При негомологичном воссоединении концов две части каждой из разорванных нитей ДНК воссоединяются лигазами. Этот вид репарации двойных разрывов идет на всех стадиях цикла, но он недостаточно эффективен в плане восстановления непрерывности нити и, кроме того, приводит к 66
неправильному сращению нитей, следствием чего являются хромосомные перестройки.
Репарация путем гомологичной рекомбинации в основном происходит при облучении клетки в конце 5-периода и в периоде С2, т.е. при разрыве той части молекулы ДНК, которая уже реплицировалась, так что для нее имеется неповрежденный аналог. Вместе с тем может использоваться и неповрежденная другая молекула ДНК, имеющая гомологичную последовательность оснований. Участок, используемый для рекомбинации, должен иметь не менее двухсот пар нуклеотидов, располагающихся в той же последовательности, как у ДНК вблизи сайта двойного разрыва. При гомологичной рекомбинации один конец разорванной нити ДНК встраивается в неповрежденный гомолог, на котором, как на матрице, проходит синтез недостающих участков нитей ДНК. Новые части затем «подшиваются» лигазами к основной части молекулы ДНК.
В условиях плотной пространственной упаковки молекул ДН К в клетке (см. рис. 6.2) неверная репарация разрывов молекулы приводит не к воссоединению оторванных друг от друга фрагментов ДНК, а к пересортировке (транслокации) участков ДНК по ее длине, соединению двух различных молекул, относящихся к разным хромосомам (образованию мостов), и ряду других хроматидных и хромосомных аберраций. Отсутствие репарации приводит к отделению участка ДНК от основной молекулы — образованию ацентрического фрагмента. Эти нарушения строения ДНК будут рассмотрены на морфологическом уровне в гл. 7.
Приведенные данные о механизме репарации различных видов повреждения ДНК описывают только ее основные этапы. На самом деле эти процессы проходят с участием большего количества ферментов. Так, в эксцизионной репарации от момента распознавания повреждения и до окончания процесса уже установлено участие, по крайней мере, 13 ферментов. Неудивительно, что работа столь сложной системы не может быть полностью эффективной как в плане попыток удаления всех нанесенных ДНК повреждений, так и в отношении качества конечного продукта.
Ясно, что чем выше доза радиации, тем больше вероятность сохранения повреждений, а потому последствия облучения больше сказываются на жизнедеятельности клетки. Вместе с тем для некоторых видов клеток в диапазоне низких уровней (0,1 —0,5 Гр) установлены факты большего снижения выживаемости, чем при облучении в более высоких (на несколько десятых грея) дозах, что связывают с нечувствительностью репаративных систем клетки к
совсем малым повреждениям ДНК. Предполагается, что в таких клетках работа репаративных систем нуждается в индукции, которая происходит после накопления в ДНК определенного количества повреждений.
В целом вопросы восстановления ДНК остаются недостаточно изученными. Очень мало известно, например, о взаимодействии ферментных систем, участвующих в транскрипции РНК на ДНК, репликации ДНК и репарации ее радиационных повреждений. Изучение эффективности репарации различных видов повреждений ДНК в широком диапазоне доз, которым подвергается человек, отдолей до десятков грей, является важной задачей радиобиологии.
Радиационные повреждения ДНК и задержкапрохождения клеточного цикла
Состояние ДНК играет определяющую роль в клеточном цикле и его регуляции, поэтому молекулярно-биологическая сторона такого важного явления, как задержка клеточного деления, будет рассмотрена в данной главе, а его феноменология — в следующей, вместе с другими проявлениями лучевых реакций клеток.
Жизненный цикл клетки, период от одного деления до другого, подразделяется на четыре фазы: митоз (М), период синтеза ДНК (5-период), предсинтетический период (G;, от англ, gap — разрыв, под которым понимается перерыв между видимым в микроскоп митозом и определяемым с помощью авторадиографии периодом синтеза ДНК) и постсинтетический период (G2) между окончанием синтеза ДНК и вступлением клетки в митоз. Схема генерационного цикла представлена на рис. 6.5.
Общая длительность цикла культивируемых in vitro опухолевых клеток человека, с которыми проводится основная масса радио-
СверочнаяСверочная
точкаточка
М\* Jl —и t > I M
I G] Z 5 g2
Gq—7
Рис. 6.5. Схема митотического цикла:
М— митоз; G| — предсинтетический (по отношению к синтезу ДНК) период; S— ста-дия синтеза ДНК; С2 — постсинтетический период; Go — период покоя
биологических экспериментов, составляет около 24 ч, при длительности периода б^ к 10 ч, 5® 8 ч, б2» 5 ч и М — 1ч. Клетки опухолей человека лимфоидного происхождения могут иметь цикл короче 10 ч. У клеток крипт кишечного эпителия мыши длительность митотического, или, как его еще называют, генерационного цикла составляет примерно 19 ч, период б] длится ~9,5 ч, 5-период — 7,5 ч, а период G^ и митоз — примерно по 1 ч. У многих клеток грызунов митотический цикл существенно короче и составляет 7—12 ч.
Быстро делящиеся клетки, особенно стволовые, имеют укороченный период б,, в то время как дифференцированные клетки имеют столь длинный период б15 что его обозначают как б^и называют стадией покоя. Иногда клетки останавливаются в продвижении по циклу в фазе б2, и тогда стадия покоя определяется как б2 0.
В медленно обновляющихся тканях большинство клеток находится в б0-периоде, т. е. периоде покоя; его длительность составляет недели, месяцы и даже годы (например, клеток ЦНС). «Покоящиеся» клетки — это резерв репопуляции, они переходят к синтезу ДНК и делению в случае гибели от различных причин части клеточного пула. Таков, например, механизм посттравматической регенерации тканей (см. гл. 13) или возобновления роста опухоли после ее облучения (см. гл. 21).
Продвижение клетки по циклу определяется активацией последовательно сменяющих друг друга циклинзависимых киназ — ферментов, фосфорилирующих аминокислотные остатки в белках и тем самым меняющих их конформацию и энзиматическую активность. Каждая циклинзависимая киназа состоит из собственно каталитической единицы, обозначаемой как Cdk с определенным номером, и регуляторной субъединицы — одного из циклинов. Уровень экспрессии циклинов и, в несколько меньшей степени, каталитической единицы киназы, меняется по мере продвижения клетки по циклу. Для перехода от одной стадии цикла к другой необходимо образование нового комплекса каталитической единицы с одним из циклинов, а также фосфорилирование определенных аминокислотных остатков (прежде всего, треонина) в ее молекуле. Негативная регуляция продвижения клетки по фазам цикла осуществляется ингибиторами циклинзависимых киназ — белками семейств Jnk4 и Cip/Kip. После выполнения своей функции циклинзависимые киназы инактивируются вследствие распада циклина.
В клеточном цикле имеется несколько так называемых свероч- Ных точек, «чекпойнтов» (англ, check point — пост контроля на
69
границе), при прохождении которых ферментативные системы проверяют ДНК на повреждения, и в случае их выявления активируют ингибиторы циклинзависимых киназ, что замедляет переход клеток из одной фазы в другую. Вероятно, замедление перехода дает больше возможности для репарации повреждений ДНК, возникающих в процессе нормальной жизнедеятельности клетки. При нанесении клетке значительного количества повреждений эта система также приводит к задержке прохождения цикла, но, по-видимому, не может обеспечить необходимый уровень восстановления. Блок в прохождении цикла нагляднее всего проявляется в виде задержки наступления первого постлучевого митоза. Фиксация поведения облученных клеток с помощью специальных видов видеосъемки, рассмотренных в главе 7, показывает, однако, что при одной и той же дозе облучения клетки с длительной задержкой продвижения по циклу (более поздним наступлением митоза) впоследствии погибают с большей вероятностью, чем клетки с меньшей задержкой.
Механизм индукции и реализациипрограммируемой смерти клетки (апоптоза)
Еще одним следствием повреждения молекул ДНК является включение процесса программируемой клеточной смерти — апоптоза. Многие виды клеток после облучения погибают как по апоп- тотическому, так и по некротическому пути, но ряд клеток, прежде всего лимфоидного происхождения, погибает в основном путем апоптоза. Клетки лимфоидного происхождения значительно более радиочувствительны, чем клетки любого другого происхождения. Их более ранняя гибель и высокая радиочувствительность объясняются запуском механизма программируемой смерти при таком уровне поражения ДНК, который сам по себе приводит клетку к гибели с гораздо меньшей вероятностью.
Апоптотическая смерть клетки в принципе является нормальным для организма процессом, участвующим в онтогенезе, дифференцировке, реакции на генотоксические внешние воздействия. Апоптотическая смерть — один из наиболее важных способов сохранения организмом своего гомеостаза, роль которого особенно велика в противодействии злокачественному перерождению. Именно путем апоптоза происходит удаление трансформированных клеток. В клетке существует механизм выявления нарушений 70
в структуре ДНК, сопряженный с выдачей сигнала на систему ее разрушения. Так работает опухолевый супрессор, белок р53, продукт гена р53, который воспринимает информацию о повреждении молекулы ДНК и затем активирует каскад ферментативных реакций внутриклеточной трансдукции сигналов апоптоза, запускающих ферменты, разрушающие определенные (но не все) клеточные структуры. Нарушение работы гена р53 приводит к повышению вероятности малигнизации клетки.
На молекулярном уровне выделяют три стадии апоптоза — стадию выявления нарушений в структуре клеточных компонентов и индукции сигнала к апоптотической смерти, стадию «принятия решения» и стадию «исполнения приговора». Сигналом к индукции апоптоза служит либо повреждение ДНК (обнаруживаемое с участием белка р53), либо повреждение митохондриальных мембран, ведущее к выходу из митохондрий в цитоплазму цитохрома С. Выход цитохрома С обнаруживается белком Apaf-1. Сигнал к апоптозу могут давать также внеклеточные домены трансмембранных белков суперсемейства TNF — подобных рецепторов (TNF — от англ, tumor necrosis factors — факторы некроза опухолей).
На второй стадии процесса действует несколько про- и анти- апоптотических модуляторов, и сигнал к апоптозу может быть заблокирован. Если трансдукция сигнала не прервана, то инициируется третья, завершающая стадия апоптотической гибели клетки — активируются эффекторные («киллерные», «казнящие») каспазы. Каспазы — это цистеиновые протеиназы, расщепляющие белки по остаткам аспарагиновой кислоты. В качестве эффекторных каспаз выступают каспазы 3, 6 и 7, а субстратом являются ингибиторы нуклеаз, ядерные и цитоскелетные белки. Распад ингибиторов приводит к активации нуклеаз и расщеплению ДНК сначала на высокомолекулярные фрагменты, затем к межнуклео- сомальной фрагментации ДНК (см. рис. 6.2, б), ее распаду на мелкие фрагменты, кратные 185 парам оснований. Хроматин апоптотической клетки конденсируется по периферии ядра. Далее происходит фрагментация ядерной мембраны.
Клеточная мембрана в процессе развития апоптоза образует быстро возникающие и исчезающие выпячивания, так называемые блебы (от англ, bleb — волдырь). Затем клетка округляется, а через некоторое время распадается на «апоптозные тела», которые содержат хроматин, митохондрии и лизосомы и окружены остатками клеточной мембраны. Однако мембрана в апоптотических
71
телах как бы вывернута наизнанку — на ее внешней поверхности находятся молекулы фосфатидилсерина, которые в живой клетке всегда находятся на внутренней поверхности. Фосфатидилсерин на внешней стороне мембраны служит специфическим маркером клетки, погибающей по апоптотическому пути, и участвует в адгезии апоптозныхтел на поверхности макрофагов, эпителиальных, а в злокачественных новообразованиях — окружающих клеток, которые затем их фагоцитируют и переваривают. При апоптотиче- ском распаде клетки отсутствует излияние цитозоля в окружающую среду. Таким образом, во внешнюю среду не выходят лизосомальные ферменты, благодаря чему гибнущие по этому пути клетки не вызывают в ткани воспалительной реакции. Заметим, что определение фосфатидилсерина на поверхности клетки является основой одного из методов выявления апоптотических клеток.
Считается, что утеря клеткой апоптотического потенциала является одной из предпосылок злокачественного перерождения. Наиболее часто этому способствует выключение гена р53. Тем не менее у многих злокачественных клеток лимфоидного происхождения, равно как и части малигнизированных клеток другого гистогенеза, облучение приводит к гибели именно по апоптотическому пути, проявление которого на клеточном уровне будет описано в следующей главе.
Предполагается, что гибель по апоптотическому пути может происходить при повреждениях ДНК, не являющихся препятствием к жизнедеятельности клетки. Основанием к такому выводу служит судьба лимфоидных клеток, погибающих по апоптотическому пути при более низких дозах, чем клетки, в основном погибающие по некротическому пути. Некротический путь гибели реализуется при уровне поражений, несовместимых с жизнедеятельностью клетки. Пока не ясно, связана ли разная эффективность выявления повреждений ДНК с различием в индукции или в осуществлении апоптоза.
При апоптозе ДНК распадается на строго определенные фрагменты, при некрозе — на участки различной длины. При некрозе ядерная и клеточная мембраны разрушаются на самых ранних этапах гибели, при апоптозе даже апоптозные тела окружены мембранами. Внутриклеточные органеллы сохраняются и видны в апоптотических телах, при некрозе они полностью разрушаются. Ингибирование синтеза АТФ, т. е. лишение клетки энергетического потенциала, препятствует развитию апоптоза, но не влияет на некротические процессы.
РЕЗЮМЕ
Основной молекулярной мишенью действия ионизирующей радиации в клетке является ДНК. В клетке человека 46 хромосом, в каждой из которых находится одна молекула ДНК длиной от 1,7до8,5мм. Общая длина ДНК в клетке человека — 2 м.
Поражение ДНК соматических клеток лежит в основе радиационной гибели самой облученной клетки, а также длительного нарушения деления ее потомков и их злокачественного перерождения, а при поражении ДНК зародышевых клеток — и генетических последствий в потомстве.
Облучение в дозе 2 Гр вызывает утрату способности к неограниченному делению у 10—90% клеток (такова вариабельность радиочувствительности клеток различных нормальных тканей и злокачественных опухолей). При этой дозе в ДНК одной клетки повреждаются около 1000 оснований, образуются 2000 однонитевых и 80 двунитевых разрывов, а также формируются 300 сшивок с белком.
В клетке имеются энзиматические системы репарации ДНК. Они осуществляют выщепление и замену поврежденных оснований и нуклеотидов, а также репарацию однонитевых разрывов ДНК.
Двунитевые разрывы ДНК, возникающие вследствие одного акта ионизации, захватывающего обе цепи ДНК, а также появляющиеся за счет совпадения одиночных разрывов в противоположных нитях, репарируются менее эффективно и с ббльшим числом ошибок, чем однонитевые разрывы.
Неотрепарированные или ошибочно репарированные повреждения приводят к снижению клоногенной активности клетки (способности клетки к неограниченному делению с образованием жизнеспособных потомков), аберрациям хромосом и различного рода мутациям.
Нарушение структуры молекулы ДНК выявляется при прохождении клеткой сверочных точек, расположенных в периодах Gv и Gr При обнаружении структурных нарушений клетка замедляет продвижение по циклу. Предполагается, что увеличение времени до момента деления позволяет клетке более полно восстановить нативную структуру ДНК.
В клетках лимфоидного происхождения, а также у части клеток другого генеза обнаружение специальными белками
структурных нарушений ДНК или мембран митохондрий инициирует каскад биохимических реакций, ведущих к распаду ДНК и остальных компонентов клетки на мелкие фрагменты. Это явление носит название апоптоза, или программируемой гибели клеток.
Биологический смысл программируемой гибели, которая в определенном смысле является «актом самопожертвования», состоит в недопущении размножения клеток с ошибками в генетическом аппарате.
7
Г Л А В A
ПРОЯВЛЕНИЕ ЛУЧЕВОГО ПОРАЖЕНИЯ
НА УРОВНЕ КЛЕТКИ
Радиационная задержка клеточного деления
Возникновение хроматидных и хромосомных аберрации и микроядер
Клоногенный потенциал клетки и кривые выживаемости Построение кривых доза — эффект по экспериментальным точкам с использованием моделей лучевого поражения
Особенности кривых доза — эффект для некоторых радиорези- стентных клеток в области малых доз излучения. Динамика клеточной гибели
Апоптоз и некроз. «Коммунальный» эффект
Повышенная гибель потомков облученной клетки и генетическая нестабильность
Радиационные нарушения ДНК столь многообразны по своей природе и величине, что на клеточном уровне они проявляются в самые разные сроки, начиная от нескольких часов и кончая многими годами после воздействия. Порядок их рассмотрения в данной главе выбран исходя в основном из хронологического принципа, по времени наступления после облучения клетки.
Радиационная задержка клеточного деления
Снижение числа делящихся клеток после облучения было замечено уже вскоре после открытия рентгеновских лучей, что и послужило одним из оснований к их применению для подавления опухолевого роста. Задержка в наступлении очередного деления наблюдается почти у всех клеток облучаемой популяции, причем ее длительность зависит от дозы ионизирующего излучения.
Первые количественные данные по этому вопросу были получены на клетках млекопитающих, культивируемых in vitro, что стало возможным в широких масштабах в пятидесятые годы XX в. В начале 60-х появились методы синхронизации клеток, под которой понимают накопление клеток в одной из фаз генерационного цикла. Один из таких методов заключается во введении в культуральную среду веществ, препятствующих синтезу ДНК, так что
Рис. 7.1. Сдвиг максимума митотической активности клеток почки человека при облучении в середине 5-периода (Дж.Ф. Скайф, 1969):
Стрелками показан сдвиг пика волны митозов при воздействии в указанных вверху дозах (Гр)
клетки, находившиеся в этот момент в 5-периоде, останавливаются в продвижении по циклу, а остальные доходят до 5-периода и накапливаются в его начале. После удаления ингибитора (снятия «блока») клетки относительно синхронно начинают двигаться по циклу.
Дж.Ф. Скайф изучил действие облучения на прохождение генерационного цикла клетками почки человека, синхронизированными в 5-периоде. Облучение приводило к задержке в наступлении волны митотической активности. У необлученных клеток митозы начинали появляться спустя 6 ч после снятия синхронизирующего блока, а их максимум приходился на 9 ч. После облучения клеток максимум митотической активности сдвигался на более позднее время пропорционально поглощенной дозе, при этом снижалась и величина максимума митотической активности (рис. 7.1). Пострадиационная задержка митозов при дозе 5 Гр достигала 7 ч (сдвиг пика митозов с 10 до 17 ч после снятия блока).
В дальнейшем было установлено, что длительность задержки деления у некоторых видов клеток меняется в зависимости от стадии клеточною цикла, в которой они находились при облучении, у других она относительна постоянна при облучении во время всей интерфазы.
76
Появившиеся в последние годы возможности длительной видеосъемки клеток с компьютерным анализом судьбы нескольких поколений ее потомков позволили получить новые данные о задержке клеточного деления, а также о пути и динамике гибели клеток после облучения.
К. Чу и соавторы в лаборатории профессора В. Дюи провели наблюдение за 231 клеткой рака мочевого пузыря человека линии EJ30- 75 в течение нескольких генерационных циклов как до облучения, так и после него. Поэтому для каждой клетки было известно, за какое время до облучения она закончила деление, и через сколько часов после воздействия она должна была бы войти в очередной митоз. Генерационный цикл этих клеток составляет 19 ± 2,5 ч, из которых на стадию Gx приходится 3—10 ч, на S— 7—8 ч и на G2 — от 2 до 5 ч. Клетки были облучены в дозе 6 Гр.
На рис. 7.2 представлены результаты двух экспериментов, обозначенных соответственно треугольниками и кружками, в которых клетки были облучены в дозе 6 Гр. Светлые значки относятся к клеткам, впоследствии утратившим способность к размножению, темные — к клеткам, сохранившим клоногенный потенциал. На кривых представлены результаты анализа данных видеосъемки
Возраст клетки в момент облучения, ч
Рис. 7.2. Задержка в наступлении митоза после облучения клеток карциномы мочевого пузыря человека линии EJ30-15 в дозе 6 Гр в разное время после предыдущего деления (К. Чу и др., 2002)
клеток до и после облучения, а также видеосъемки необлученных клеток, растущих в тех же культуральных флаконах.
Линия контроля соединяет точки 19,5 ч на оси абсцисс и ординат, соответствующие средней длительности цикла необлученных клеток. Величина задержки в наступлении митоза — расстояние по вертикали между кривыми для облученных клеток и прямой для интактных клеток.
Сохранили способность к делению в ряду нескольких поколений всего 12 облученных клеток, потомство которых образовало колонии, состоящие из более чем 50 клеток каждая (колониеобра- зование как критерий выживаемости клеток рассматривается в разделе 7.3). В этой группе клеток задержка в прохождении цикла была относительно небольшая, они вошли в деление через 17—22 ч после предыдущего. У остальных клеток, которые в дальнейшем погибли, облучение привело к значительной задержке наступления первого митоза. У клеток, облученных в периоде Gx, задержка митоза составила ~ 7 ч, в поздней 5- и (?2-фазе она достигла 20—25 ч; наибольшую задержку испытывали клетки, подвергшиеся облучению в середине 5-периода — в среднем она была равна 35 ч. Часть клеток погибла в интерфазе, причем не по апоптотическому пути, который ранее часто связывали с интерфазной гибелью клеток, а по некротическому.
В той же лаборатории было показано, что после облучения эмбриональных фибробластов крыс, имеющих цикл продолжительностью 11 ± 0,3 ч, облучение в дозе 4 Гр вызвало трехчасовую задержку в наступлении деления, независимо от того, в какой фазе цикла находилась клетка в момент воздействия. При дозе 9,5 Гр задержка возросла, но всего на 1 ч, при этом ее длительность также осталась независимой от фазы цикла.
У клеток мышиной лимфомы L5178Y-S и клеток лимфомы человека MOLT-4, генерационный цикл которых равен соответственно 7 и 9,5 ч, облучение в дозе 4 Гр привело к удлинению цикла в 1,5—2 раза. Особенно сильно увеличилась длительность пострепликативного периода Gr
Клетки мышиной лимфомы линии ST4 после облучения в дозе 2,5 и 4 Гр погибали по апоптотическому пути в первые 2 ч после воздействия, так что по отношению к ним о задержке в прохождении цикла говорить не приходится.
Таким образом, различным видам клеток свойственны совершенно разные реакции на облучение, что будет подтверждено далее многочисленными примерами.
78
Пока известны только отдельные факторы, ответственные за задержку в прохождении клеточного цикла. Как говорилось в предыдущей главе, существенная роль отводится системе обнаружения дефектов ДНК в сверочных точках цикла во время прохождения клеткой периодов ^ и ^ Раньше считалось, что задержка в продвижении по циклу дает клетке больше времени для репарации ДНК перед 5-фазой или митозом, когда целостность молекулы ДНК особенно значима для нормальной жизнедеятельности. Однако данные о более длительной задержке в наступлении митоза у погибающих впоследствии клеток по сравнению с сохраняющими клоногенный потенциал указывают, по-видимому, на более глубокое повреждение ДНК данной клетки. Такое наблюдение сделано и другими авторами, проводившими киносъемку облученных клеток китайского хомячка линии V- 79 и мышиных фибробластов линии L.
Причины значительной задержки деления у клеток, облученных в середине 5-фазы, неясны. Высказано лишь предположение, что она может быть связана с переходом клетки от репликации эу- хроматина к репликации гетерохроматина (эухроматин, составляющий около 90% ДНК клетки, транскрипционно активен и в интерфазе находится в деконденсированном состоянии; гетерохроматин транскрипционно неактивен и в интерфазном ядре находится в конденсированной форме, что различимо при световой микроскопии). Однако изучению дифференциальной чувствительности эу— и гетерохроматина к облучению еще только начинают уделять внимание, и данное предположение лишь указывает на то, что этот вопрос поднимается в литературе.
В практическом плане, например, при планировании экспериментов с определением хромосомных аберраций в облученных клетках и выборе времени их фиксации, упрощенно принимается, что для асинхронной популяции нелимфоидных клеток задержка в наступлении митозов составляет 1 ч на 1 Гр дозы излучения.
Хромосомные аберрации и микроядра
Хромосомные аберрации (перестройки) являются классическим проявлением лучевого поражения клеток. Их появление было обнаружено уже на заре радиобиологических исследований, и их количество соответствует дозе облучения, что используется при биологической дозиметрии. Появление аберраций отражает образование разрывов молекулы ДНК и дефекты ее репарации.
79
Разрывы приводят к фрагментации хромосомы. Под фрагментом понимают ту часть хромосомы, которая не связана с центромерой. Центромера — это структура, расположенная в середине хромосомы, за которую она притягивается к полюсу деления, иными словами, — к месту, где будет формироваться ядро будущей дочерней клетки. Фрагмент хромосомы, не связанный с центромерой, не притягивается к полюсу деления и распределяется между дочерними клетками случайным образом. Фрагменты хорошо видны во время метафазы и особенно анафазы, когда все хромосомы притянуты нитями веретена к полюсам деления, а фрагменты остаются посередине клетки. После завершения деления клетки, т. е. в интерфазе, фрагменты проявляются как микроядра — участки конденсированной ДНК, в то время как почти вся остальная ДНК переходит в деконденсированное состояние.
Неверное воссоединение разрывов, когда при репарации происходит соединение участков ДНК из разных мест одной и той же хромосомы или разных хромосом, во время митоза проявляется в виде хромосомных перестроек. ■
Аберрации изучают в клетках, находящихся в метафазе или анафазе, когда все интактные хромосомы расходятся по полюсам клетки, а в центре остаются фрагменты и связанные между собой хромосомы («мосты»), которые должны были бы разойтись подо- черним клеткам. Метафазный анализ хромосом проводят только in vitro, а анафазный можно проводить и in vivo.
Для получения статистически значимых результатов при изучении зависимости числа хромосомных перестроек от дозы излучения методом метафазного анализа требуется проанализировать хотя бы несколько десятков так называемых метафазных пластинок. Классическим объектом изучения являются лимфоциты, которые запускаются в деление с помощью фитогемагглютинина, вводимого в питательную среду. Так как лимфоциты растут во взвеси, клетки в состоянии митоза нельзя получить стрясыванием с подложки, как это описывалось в предыдущем разделе. Митотические клетки накапливают введением в среду колхицина (колце- мида) или других агентов, не дающих клетке закончить деление, но не препятствующих конденсации хроматина в хромосомы и вступлению клетки в митоз.
Однако в метафазной пластинке, в которой тесно собраны все хромосомы, невозможно исследовать их структуру. Для рассредоточения хромосом клетки помещают в гипотонический раствор, где объем клетки значительно увеличивается, так что хромосомы расходятся друг от друга. Путем «раскапывания» клеточной сус- 80
пензии на влажное стекло хромосомы каждой клетки равномерно распределяются на большей площади, что облегчает их детальное изучение. Заметим, что в метафазе каждая хромосома выглядит как буква X, в анафазе — как «галочка» (>). Левая и правая часть буквы X (при вертикальном расположении ее длинной оси) называются хроматидами, а после их расхождения в анафазе — хромосомами. Каждая хромосома в анафазе состоит из двух плеч, называемых, из-за обычно разной длины, коротким и длинным плечом. В месте соединения плеч — в вершине «галочки», или центре хромосомы, состоящей из двух хроматид, располагается центромера (называемая кинетическим тельцем хромосомы).
При переходе клетки от метафазы к анафазе центромера делится пополам и половинки расходятся по полюсам деления, разделяя хромосому (X) на две части, что обеспечивает равное распределение генетической информации каждой хромосомы между дочерними клетками.
После образования новой клетки каждая ее хромосома содержит одну молекулу ДНК. В 5-периоде молекула ДНК удваивается. В прометафазе каждая из этих молекул упаковывается в хроматиду, а две «сестринские» хроматиды соединяются друг с другом центромерой, формируя метафазную хромосому.
Возникающие в клетке аберрации подразделяют на хромосомные и хроматидные. Хромосомные аберрации возникают в случае, когда клетка подверглась облучению в предсинтетической стадии цикла или в 5-периоде, но до начала удвоения определенного участка своего генома. При неверном воссоединении оторванных друг от друга фрагментов ДНК такое нарушение воспроизводится во время репликации (удвоении). Итогом является образование дицентриков — хромосом, имеющих две центромеры, что может сопровождаться появлением ацентрических фрагментов, хорошо видных при сравнении метафазных пластинок облученных и необ- лученных лимфоцитов (рис. 7.3, а и б). Обмен фрагментами между хромосомами проявляется в виде реципрокных транслокаций (см. рис. 7.3, в).
Хроматидные аберрации возникают в клетке, облученной уже после завершения репликации всей ДНК или того ее участка, разрыв которого и приведет к формированию аберрации. Разрыв одной из хроматид проявится в виде ее укорочения и образования ацентрического фрагмента, который будет виден при мета- или анафазном анализе. Разрыв обеих хроматид может проявиться различным образом — образованием двух фрагментов, их слиянием в один (принято говорить о «липкости» концов разорванных хрома-
б
Рис. 7.3. Аберрации, определяемые при анализе метафазных хромосомчеловека (по А.Ф. Захарову и др., 1982):
а — метафазная пластинка необлученных лимфоцитов; б — метафазная пластинка,содержащая три дицентрических хромосомы (указаны стрелками) и два парныхфрагмента; в — реципрокная транслокация и две дицентрические хромосомы (указаныстрелками); г — кольцевая хромосома (указана стрелкой)
Продолжение рис. 7.3
тид и хромосом, что способствует образованию различных видов перестроек, например, внутрихромосомных обменов) или соединением сестринских хроматид. На рис. 7.3, г представлена кольцевая хромосома, не содержащая центромер. Кольцевые хромосомы появляются в результате внутриплечевого обмена, происходящего на фоне так называемой интерстициальной делеции (вырезания участка хромосомы внутри плеча с последующим соединением концов интерстициального фрагмента). Вследствие взаимного притяжения сестринских хроматид оба кольца обычно лежат рядом и с наложением одного на другое.
В анафазе центромера хромосомы разделяется на две части, которые растягиваются веретеном деления к полюсам клетки. В случае связи хроматид «конец в конец» они вытягиваются между полюсами клетки, образуя «мост».
Аберрации, сопровождающиеся образованием ацентрических фрагментов и дицентриков, получили название нестабильных, так как приводят к гибели самой облученной клетки или ее ближайших потомков из-за невозможности равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками. Перестройки, сопровождающиеся только перемещением участков пораженных хромосом, когда весь генетический материал остается связанным с центромерой и может распределяться между дочерними клетками, относят к стабильным перестройкам, так как они могут передаваться в ряду клеточных поколений, сохраняясь в организме в течение многих лет. Примером являются транслокации, когда участок генома перемещается в новое для него место, но продолжает функционировать. Их изучение стало возможным благодаря разработке методов дифференцированной окраски отдельных участков хромосом. Такие методы позволяют обнаруживать, например, симметричные обмены и инверсии в клетках лиц, подвергшихся облучению более 50 лет тому назад в результате атомных взрывов и радиационных аварий. На рис. 7.4 представлены 5 видов транслокаций, выявляемых методом так называемой (/-дифференциальной окраски. Такие транслокации возникают при неверном соединении участков как одной и той же хромосомы, так и нескольких хромосом вследствие трех и большего числа разрывов в геноме одной клетки.
В настоящее время одним из наиболее совершенных методов анализа хромосомных перестроек является использование флюоресцентной метки, присоединенной к фрагментам ДНК, комплементарным для ДНК определенных участков генома. Для него обычно используют английское название — FISH (от fluorescence 84
Реципрокная Перицентрическая Инсерция транслокация инверсия
Терминальная Сложный обмен деления
Рис. 7.4. Схема аберраций хромосом, регистрируемых методом G-дифференциальной окраски (по А.В. Севанькаеву, 2003)
in situ hybridization}. Один из его вариантов — метод мильтиплекс- ной дифференциальной окраски (wFISH) — позволяет окрашивать каждую из 24 различных хромосом человека (у человека 22 парные и 2 парные/непарные хромосомы) определенным образом, используя «библиотеку ДНК» к каждой хромосоме, в которой ДНК помечены различными флуорохромами, число которых может доходить до пяти. Иллюстрация радиационных перестроек хромосом, выявляемых таким методом, нуждается, однако, в цветной печати и здесь не приводится.
Хотя есть основания считать, что ДНК интерфазных хромосом располагается внутри ядра упорядоченным образом, образуя систему петель разной длины, прикрепленных к ядерной мембране, пока не удалось выявить более частое образование аберраций с участием двух определенных хромосом, что интерпретируется как указание на отсутствие постоянной пространственной координации их местоположения в ядре.
Наиболее широко хромосомные аберрации используют для оценки поглощенных доз при облучении человека. Тест проводят в культуре лимфоцитов перйферической крови. Количество наиболее хорошо различимых аберраций — дицентриков и кольцевых хромосом — возрастает в зависимости от дозы согласно линейно-квадратичному закону, т.е. количество аберраций на клетку, Y, возрастает пропорционально дозе излучения (D) плюс квадрату дозы излучения с определенными коэффициентами (Y=aD + р/)2). Квадратичная связь с дозой излучения определяется необходимостью образования двух поражений нитей ДНК, ко-
торые и приведут к формированию аберраций указанных видов. При низких дозах облучения более вероятно, что оба поражения явятся следствием одномоментного выделения энергии в двух участках ДНК, находящихся в непосредственной близости один от другого (например, при массированной ионизации в конце пробега электрона). По мере увеличения дозы возрастает число разрывов ДНК и соответственно вероятность их взаимодействия между собой, которая зависит от квадрата дозы. При смертельной для человека дозе редкоионизирующих излучений 4,5—5 Гр на каждый делящийся лимфоцит приходится в среднем одна аберрация. Метод дает возможность оценить полученную дозу, начиная с 0,25 Гр, однако при столь малых дозах необходима очень большая статистика.
Из ацентрических фрагментов хромосом, которые из-за отсутствия центромер не были распределены по ядрам дочерних клеток и остались в цитоплазме, образуются так называемые микроядра, представляющие собой глыбки хроматина, располагающиеся в цитоплазме интерфазной клетки. Количество микроядер на клетку коррелирует с дозой излучения и также как хромосомные аберрации используется в качестве показателя для целей «биологической» дозиметрии.
Утеря клеткой клоногенного потенциала.Кривые «выживаемости»
Подсчет хромосомных аберраций или микроядер позволяет довольно точно оценить радиочувствительность клеток, однако оба метода весьма трудоемки. Основные данные о радиочувствительности получены путем изучения выживаемости клеток, с помощью оценки их клоногенной способности, под которой понимается способность клетки образовывать видимую невооруженным глазом колонию. Согласно договоренности исследователей, клетка после облучения считается «выжившей», если она образует колонию, состоящую из более чем 50 клеток. Естественно, что учет выживаемости проводится в сроки, достаточные для образования крупных колоний всеми интактными клетками. Для образования видимой глазом колонии облученная клетка должна совершить не менее 5 полностью успешных делений, т. е. делений, в результате которых дочерние клетки также будут способны к делению. Обычно для клеток грызунов после их облучения достаточно 5—8 дней 86
роста, учет выживаемости клеток человека проводят через две недели после облучения.
Заключая описание этого центрального для радиобиологии метода оценки радиочувствительности, подчеркнем, что с его помощью определяется не доля погибших после облучения клеток (которые выходят из-под наблюдения, а потому и не могут быть учтены), а доля выживших.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫЖИВАЕМОСТИ КЛЕТОК IN VITRO
Метод оценки радиочувствительности, основанный на утере способности клетки к клонообразованию, был разработан в 1956 г. Т. Паком и П. Маркусом на примере клеток карциномы шейки матки человека линии HeLa. И по сей день этот метод является «золотым стандартом» количественной радиобиологии, с которым сравнивают данные других методов оценки. Идея определения клоногенности позднее была применена к тканям in vivo, что позволило определить радиочувствительность клеток костного мозга, эпителия кожи и кишечника и клеток некоторых других тканей.
Рассмотрим методику определения выживаемости клеток в культуре применительно к клеткам, растущим прикрепленными к стенке культурального сосуда (в монослое). Сначала клетки снимают со стенок раствором трипсина, часто с добавлением ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты), связывающей ионы кальция и магния, необходимые для прикрепления клеток к подложке. Затем полученную суспензию разбивают до одиночных клеток, подсчитывают их концентрацию и рассевают клетки по чашкам Петри таким образом, чтобы общее число колоний, выросших в каждом варианте опыта, позволяло получить статистически значимый результат. Обычно на каждую экспериментальную точку должно быть просчитано около 400 колоний, что дает оценку числа выросших колоний с ошибкой в 5%*. Чтобы такое количество колоний могло расти, не мешая друг другу, берут по несколько ча-
Напомним, что точность определения вероятности событий, подчиняющихся распределению Пуассона (а вероятность выживания клеток подчиняется этому закону), устанавливается только числом подсчитанных событий — в данном случае выросших колоний, а не числом посеянных клеток, числом взятых в опыт чашек Петри ит.п., аналогично тому, как при определении концентрации суспензии клеток их подсчетом в камере Горяева ошибка определяется исключительно числом просчитанных клеток, а вовсе не числом просчитанных «квадратов».
шек Петри на точку. Чем больше доза излучения, тем больше сеют клеток на чашку.
Облучение проводят в разное время относительно посева клеток. В зависимости от задач исследования, клетки могут быть облучены в монослое, в суспензии, а также в виде одиночно сидящих через несколько часов после посева, когда они уже прикрепятся к подложке и вступят в период активного роста. Облучение проводят в серии доз обычно с интервалом между ними в 2 Гр и в диапазоне до 10—20 Гр. После облучения клетки выращивают в инкубаторе указанное выше время, после чего выросшие колонии фиксируют, окрашивают и подсчитывают. Колонии, не доросшие до 50 клеток, как показывает опыт, не дорастают до учетной величины и при значительном удлинении периода роста.
Выживаемость при каждой дозе излучения определяют как отношение числа колоний, выросших в облученных чашках, к числу колоний, выросших в контроле, с учетом, что в опыте по указанной выше причине высевают больше клеток. Интактные клетки стабильных клеточных линий в норме способны к образованию колоний с эффективностью свыше 90%. При работе с клетками, взятыми прямо из опухолей, приходится мириться с низкой клонообразующей способностью, составляющей иногда несколько процентов. Такая низкая эффективность клонообразования в контроле вносит в расчеты значительную ошибку, так что наиболее точные данные о радиочувствительности получены для клеток из установившихся клеточных линий, почти все из которых имеют опухолевое происхождение. Дело в том, что неограниченно долго in vitro удается выращивать только клетки, подвергшиеся злокачественной трансформации, при которой происходит их иммортализация (приобретение способности к неограниченному размножению), а клетки здоровых тканей человека культивируют ограниченное время. Правда, методами генной инженерии уже созданы иммортализованные линии нормальных клеток человека.
Иногда для сравнения радиочувствительности большого числа разных видов клеток используют сокращенный тест, определяющий клонообразующую способность при облучении в одной дозе — 2 Гр, соответствующей разовой дозе «стандартного» курса лучевой терапии (гл. 21). Выживаемость после облучения в такой дозе обозначают как SF2r, или просто SF2.
Хотя при использовании теста на клоногенную активность клетки делятся всего на две категории — сохранившие и утерявшие этот потенциал, реальная картина богата полутонами. Если колонии, образуемые необлученными клетками, растут с одина- 88
ковой скоростью, то колонии, выросшие при делении облученных клеток, варьируют по размеру, причем с ростом дозы вариабельность увеличивается. Медленный рост колоний в основном определяется постоянной, из поколения в поколение, гибелью части вновь образующихся клеток, о чем говорилось в предыдущем разделе. Имеются данные, что повышенная вероятность гибели сохраняется в течение 30 делений потомков облученной клетки.
Такой характер роста облученных клеток имеет разные следствия применительно к опухоли и нормальным тканям. Что касается влияния облучения на опухоли, то тест дает четкий ответ на вопрос о том, насколько уменьшилась фракция клоногенных клеток после того или иного воздействия. Ситуация более сложная в отношении нормальных тканей — клоногенный потенциал «выживших» клеток варьирует от одной клетки к другой, т. е. не все клоногенные клетки могут считаться равными контрольным по своим свойствам, и их остаточное поражение, определенная «дефектность», могут сохраняться в течение длительных сроков.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫЖИВАЕМОСТИ КЛЕТОК IN VIVO
В 1961 г. канадские ученые Дж. Тилл и Е. Мак-Куллох предложили метод определения радиочувствительности стволовых клеток гемопоэтической ткани. Они ввели клетки костного мозга в хвостовую вену летально облученным мышам-реципиентам, у которых через неделю на селезенке появились видимые невооруженным глазом колонии, состоящие из потомков введенных клеток. Путем сравнения числа колоний, образующихся при введении клеток от облученных в разных дозах и интактных мышей, ими были получены типичные кривые выживания.
Этот метод, получивший название экзоколониального теста, широко используют и в настоящее время для оценки радиочувствительности гемопоэтических клеток донора. Радиочувствительность собственных стволовых гемопоэтических клеток оценивают с помощью эндоколониального теста — путем подсчета числа колоний, образующихся на селезенке на 8—10-й день после облучения из мигрирующих туда клеток костного мозга самого облученного животного. Рост клеток в селезенке обеспечивается утерей ее собственной клеточной популяции.
К настоящему времени разработаны методы оценки количества выживающих клоногенных клеток кожи и тонкого кишечника, хряща, яичек, почечных канальцев, молочной и щитовидной желез. ■
Оценка эффекта облучения по тесту колониеобразования, числу хромосомных аберраций и по тесту на образование микроядер дает сходные результаты.
ФОРМАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ЛУЧЕВОГО ПОРАЖЕНИЯ,ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КРИВЫХ ВЫЖИВАЕМОСТИПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ТОЧКАМ
Кривые выживаемости обычно строят в системе полулогарифмических координат, откладывая по линейной оси абсцисс дозу излучения, а по логарифмической оси ординат — фракцию или процент выживших клеток. Соединив точки между собой, можно сразу же получить кривую выживаемости, но ее нельзя использовать для каких-либо расчетов. В радиобиологии кривая выживаемости строится по экспериментальным точкам с использованием одной из моделей, которые в аналитической форме связывают глубину поражения с дозой излучения. Аппроксимацию экспериментальных точек наиболее часто проводят по двум основным моделям, связывающим глубину поражения с дозой излучения — по исторически более ранней модели многих мишеней, и линейно-квадратичной, называемой также а, p-модели. Рассмотрение
Рис. 7.5. Кривая доза—эффект для клеток карциномы шейки матки человека линии HeLa после а-облученияРис. 7.5. Кривая доза—эффект для клеток карциномы шейки матки человека линии HeLa после а-облученияэтих моделей для простоты начнем со случая воздействия на клетки плотноиони- зирующего излучения, например а-частиц, когда экспериментальные точки аппроксимируются прямой, проходящей через начало координат (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Кривая доза—эффект для клеток карциномы шейки матки человека линии HeLa после а-облучения
Рис. 7.5. Кривая доза—эффект для клеток карциномы шейки матки человека линии HeLa после а-облучения
В этом случае снижение выживаемости с возрастанием дозы описывается уравнением вида
N = Noe"D/t\
где А—число выживших клеток из общего их числа Ао; D — доза излучения; Д— доза, при которой доля живых клеток уменьшается в сравнении с исходной в е
(основание натуральных логарифмов) раз. Так, если D = Z)o, то N/No = е'1 = 1/2,71 = 0,367. Таким образом, при дозе излучения, равной В., выживает ~ 37%, а погибает « 63% клеток. Величина Z)o служит мерой радиочувствительности клеток и определяется по кривой выживания как доза, при которой клоногенный потенциал сохраняет 37% клеток от их исходного числа.
В соответствии с рассмотренным в гл. 11 принципом попаданий, такая зависимость эффекта от дозы формально отражает вы
деление квантов энергии в некоторых критических структурах, вероятность которого подчиняется распределению Пуассона. Наиболее наглядным и чаще всего используемым примером такого
распределения является распределение 100 зернышек, брошенных на доску, разлинованную на 100 квадратов. При случайном характере попадания зерен в 37 квадратов не попадет ни по одному из них. В остальные попадет не менее чем по одному, в некоторые — по 2,3 и так далее, с уменьшающейся вероятностью. Аналогично приведенному примеру, предполагается, что доза, при которой выжило 37% клеток, как раз необходима и достаточна для гибели всей популяции при равномерном распределении между всеми клетками. Поэтому дозу, снижающую выживаемость до 37% от исходной, называют еще среднелетальной дозой.
Рис. 7.6. Кривая выживаемости клеток китайского хомячка линии V79 после у-облучения: экспериментальные точки аппроксимированы по модели многих попаданийРис. 7.6. Кривая выживаемости клеток китайского хомячка линии V79 после у-облучения: экспериментальные точки аппроксимированы по модели многих попаданийПри использовании ред- коионизирующих излучений экспериментальные точки невозможно аппроксимировать прямой линией. Выживаемость клеток сначала снижается медленно, но с нарастанием дозы скорость
Рис. 7.6. Кривая выживаемости клеток китайского хомячка линии V79 после у-облучения: экспериментальные точки аппроксимированы по модели многих попаданий
Рис. 7.6. Кривая выживаемости клеток китайского хомячка линии V79 после у-облучения: экспериментальные точки аппроксимированы по модели многих попаданий
снижения увеличивается, после чего остается постоянной (рис. 7.6). Пологий участок кривой доза—эффект носит название плеча, более крутой — линейного участка. Формальное объяснение такой зависимости — необходимость выделения в мишени для ее поражения нескольких порций энергии, так как при действии излучений с небольшой Л ПЭ выделения одной порции энергии недостаточно для поражения. С началом облучения в каждой мишени как бы накапливается число таких порций энергии, а с момента, когда в мишенях для поражения будет не хватать всего одной порции, зависимость доза—эффект станет прямолинейной. Если экстраполировать прямолинейную часть зависимости доза—эффект на продолжение оси ординат, то точка пересечения покажет, сколько порций энергии («ударов») надо передать мишени для ее поражения. Это «экстраполяционное» число обозначается латинской буквой п.
Уравнение, с использованием которого аппроксимируются кривые доза—эффект при действии редкоионизирующего излучения, имеет вид
N = NQ-N^\-e"D,DttY,
где N — число выживших клеток из общего их числа No; D —доза излучения; Do — доза, при которой доля живых клеток уменьшается в сравнении с исходной в е раз на прямолинейном отрезке кривой доза—эффект, и п — экстраполяционное число. Иногда используется и такой показатель, как «величина плеча» Dq, численно равная дозе, при которой ось абсцисс пересекается с экстраполированным участком прямолинейной части дозовой кривой. Dq = = Do ■ loge/7. Считается, что наклон линейной части кривой доза- эффект, характеризуемый величиной Do, отражает радиочувствительность клеток, а экстраполяционное число п — способность клеток к восстановлению, о котором будет сказано в гл. 8.
Развитием многоударной модели поражения является модель многих мишеней, каждая из которых для своего поражения требует нескольких «ударов». Ясно, что чем больше изменяемых параметров имеется в модели, тем более сложную зависимость доза—эффект можно аппроксимировать с ее помощью, однако это не облегчает понимание процессов, происходящих в облученной клетке.
В последние годы для аппроксимации экспериментальных точек все чаще используют линейно-квадратичную модель. В основе 92
модели лежит представление о том, что поражение мишени, под которой понимают ДНК, может быть двух видов — летальным и нелетальным, однако нелетальные поражения при взаимодействии между собой превращаются в летальные. Чаще всего для наглядности одному из компонентов модели приписывают отражение летальных двунитевых разрывов ДНК, а второму — отражение однонитевых разрывов, которые при совпадении в противоположных нитях ДНК переходят в двунитевые. Образование таких летальных аберраций, как кольца, дицентрики и анафазные мосты также нуждается во взаимодействии двух отдельных событий, и их появление также должно быть пропорционально квадрату дозы.
Хотя физико-химическая суть вопроса о летальности разных видов поражений, их взаимодействии и репарации гораздо сложнее, только что изложенные формальные представления наглядны и с успехом используются для описания феноменологии клеточной гибели.
Согласно этой модели,
N = NQe”aD-^\
где N — число выживших клеток из общего их числа No; D — доза излучения; аир — константы, отражающие изменяющуюся значимость каждой компоненты поражения при разных дозах. При дозе D, равной а/p, вклад компоненты, пропорциональной дозе, и компоненты, пропорциональной квадрату дозы, одинаков.
Особенностью аппроксимации экспериментальных точек с использованием данной модели является постоянно возрастающий наклон кривой выживаемости в области больших доз. Во многих случаях а,р-модель несколько лучше аппроксимирует экспериментальные точки, чем модель с параметрами Do и и, хотя вторая модель является более наглядной и чаще используется для сравнения показателей радиочувствительности различных клеток. В итоге в радиобиологии используют обе модели (рис. 7.7). Большинство расчетов, например, изоэффективных режимов облучения, или моделирование процессов поражения опухолей и нормальных тканей в процессе лучевой терапии проводится на основании а,£-модели. Сравнение радиочувствительности различных клеток или ее изменения под влиянием модификаторов чаще проводится по параметрам DQ и п.
В условиях in vivo обычно удается точно определить только прямолинейную часть кривой доза—эффект (рис. 7.8), но аппрок-
93
Доза излучения, ГрДоза излучения, ГрРис. 7.7. Кривые доза—эффект для клеток карциномы Эрлиха мышей линии ELD, аппроксимированные по модели многих мишеней (7) и а, р-модели (2): коэффициенты уравнения для модели многих мишеней равны: D = 1,09 Гр, п = 8,5, N/Na= 1 -(1 - e-zvl”)*,s; коэффициенты для линейно-квадратичной (а, Р) модели равны: а = 0,05, р = 0,0003, N/N, = е^.05»*0^»2Рис. 7.7. Кривые доза—эффект для клеток карциномы Эрлиха мышей линии ELD, аппроксимированные по модели многих мишеней (7) и а, р-модели (2): коэффициенты уравнения для модели многих мишеней равны: D = 1,09 Гр, п = 8,5, N/Na= 1 -(1 - e-zvl”)*,s; коэффициенты для линейно-квадратичной (а, Р) модели равны: а = 0,05, р = 0,0003, N/N, = е^.05»*0^»2
Доза излучения, Гр
Доза излучения, Гр
Рис. 7.7. Кривые доза—эффект для клеток карциномы Эрлиха мышей линии ELD, аппроксимированные по модели многих мишеней (7) и а, р-модели (2): коэффициенты уравнения для модели многих мишеней равны: D = 1,09 Гр, п = 8,5, N/Na= 1 -(1 - e-zvl”)*,s; коэффициенты для линейно-квадратичной (а, Р) модели равны: а = 0,05, р = 0,0003, N/N, = е^.05»*0^»2
Рис. 7.7. Кривые доза—эффект для клеток карциномы Эрлиха мышей линии ELD, аппроксимированные по модели многих мишеней (7) и а, р-модели (2): коэффициенты уравнения для модели многих мишеней равны: D = 1,09 Гр, п = 8,5, N/Na= 1 -(1 - e-zvl”)*,s; коэффициенты для линейно-квадратичной (а, Р) модели равны: а = 0,05, р = 0,0003, N/N, = е^.05»*0^»2
симация экспериментальных точек по одной из моделей также позволяет получить аналитическое выражение для этой зависимости.
Рис. 7.8. Кривые доза—эффект длястволовых клеток костного мозга (7) икишечника (2) мышей послеу-облучения (по А.Г. Коноплянникову,1982):
стрелки указывают выживаемость клеток,при которой половина животных погибаетот соответствующего синдрома
КРИВЫЕ ВЫЖИВАЕМОСТИ В ОБЛАСТИ МАЛЫХДОЗ ИЗЛУЧЕНИЯ
В последнее десятилетие большое внимание исследователей привлечено к изучению формы кривой доза—эффект в области малых (до 0,8 Гр) доз излучения. Этот диапазон наиболее интересен с позиций радиационной безопасности, так как при профессиональном контакте с излучениями, а также при радиационных авариях наибольшее число лиц подвергается воздействию именно в этих дозах. При лучевой терапии фракционированному воздействию в таких дозах подвергаются участки нормальных тканей на краях поля облучения, где полученная доза спадает с классических 2 Гр за фракцию до нуля. Рассматривается даже целесообразность использования режима суперфракционирования дозы с разовыми фракциями величиной 0,3—0,5 Гр для лечения некоторых видов новообразований. Безусловно, знание всех вариаций формы кривой доза—эффект важно с теоретических позиций, так как способствует пониманию процессов, инициируемых облучением клетки.
Обнаружено, что кривая доза—эффект у ряда радиоустойчи- вых линий клеток на начальном участке, в зоне «плеча», с ростом дозы снижается не плавно, а вначале очень быстро, затем следует плато или даже наблюдается небольшой подъем выживаемости, после чего она принимает обычный вид. На рис. 7.9 приведены кривые выживаемости клеток глиомы линии T98G, которые в момент облучения находились в периоде Gx и G, клеточного цикла. Выживаемость клеток, облученных на стадии б2, при дозе 0,2 Гр снижается до 0,7 от исходной, при дальнейшем увеличении дозы до 0,8 Гр возрастает до 0,8 от исходной, и далее падает обычным образом по мере увеличения дозы. Минимум и максимум выживаемости клеток, облученных в периоде б,, сдвинуты в сторону несколько больших доз (минимум приходится на 0,4 Гр). У клеток в 5-фазе спада в выживаемости не было. У некоторых видов клеток спад в выживаемости отмечен только в фазе б2.
Повышенная радиочувствительность клеток в диапазоне доз 0,2—0,5 Гр выявлена у 38 из 50 клеточных линий, полученных из опухолей различной локализации, нормальных фибробластов и эпителиальных клеток человека. Для объяснения такой формы дозовой кривой выживаемости высказано предположение об индукции активности некоторых компонентов системы репарации ДНК в клетках, которые демонстрируют эффект гиперчувствительности в области малых доз. Высокая радиочувствительность при низких дозах связывается с «молчанием» системы репарации, для включения которой требуется переход некоего порогового уровня
Рис. 7.9. Кривые доза—эффект для клеток глиомы линии T98G, облученных в фазе G, и Сз клеточного цикла (по М. Джойнеру, 2001):
виден быстрый спад с последующим восстановлением выживаемости клеток на начальном участке кривой доза—эффект
повреждения ДНК. Включение системы репарации сразу же снижает повреждение клеток — этим объясняется существование плато у кривой доза—эффект у части клеточных линий и даже повышение выживаемости у остальных линий, демонстрирующих эффект гиперчувствительности при низких дозах. Ход кривой выживаемости при больших дозах определяет соотношение нанесенных и отрепарированных повреждений ДНК. Таким образом, явление гиперчувствительности некоторых видов клеток в диапазоне малых доз, согласно существующим представлениям, связано с «молчанием» некоторых репаративных систем клетки в нормальных условиях и их активацией после нанесения клетке определенного количества повреждений.
Предполагается, что активированная система репарации через несколько часов возвращается к норме. Гиперчувствительность в 96
области малых доз воспроизводится при облучении клеток с интервалом между фракциями в 3—4 ч, даже если фракционированное воздействие проводили в течение 5 дней. Если эта картина будет воспроизводиться не только в культуре клеток, но и in vivo, то использование суперфракционированного облучения может стать методом лечения наиболее радиорезистентных опухолей.
Данные о несколько большем влиянии малых доз излучения на выживаемость клеток (чем предполагалось ранее) вероятно, могут иметь отношение и к вопросам нормирования воздействия радиации на человека, которое касается именно доз этого диапазона. Однако основой нормирования являются эпидемиологические наблюдения, в которые к настоящему времени вовлечены большие контингенты лиц, подвергшихся облучению в широком доз- ном диапазоне, и результаты которых не свидетельствуют в пользу большей опасности малых доз по сравнению с более высокими (гл. 24). Таким образом, это интересное явление нуждается в дальнейшем изучении, после чего и можно будет сделать вывод, внесет ли оно коррекцию в наши представления о последствиях облучения человека.
Непосредственно наблюдаемая гибель клетокпосле облучения. Апоптоз и некроз
Остановимся теперь на характере гибели клеток, проявляющейся в снижении их клоногенного потенциала. Ее принято подразделять на два вида — апоптоз и некроз.
Апоптоз, биохимические механизмы которого были описаны в гл. 6, при наблюдении за клетками в культуре с помощью фазоконтрастной оптики проявляется в виде нескольких последовательных стадий: ошаривании клетки, выпячивании из этого шара участков цитоплазмы, так называемых блебов (пузырей), их полном исчезновении, прекращении движения цитоплазмы, изменении светопреломления и распаде клетки на «апоптотические тельца». Апоптотические тельца представляют небольшие сферические образования, окруженные остатками клеточной мембраны и содержащие фрагменты ДНК, а также интактные клеточные органеллы. Апоптотические тельца in vitro полностью распадаются, а in vivo утилизируются окружающими клетками, а также макрофагами.
Очень четко развитие апоптоза проявляется при наблюдении за клетками, окрашенными двумя флюоресцентными красителя-
97
ми ДНК, один из которых всегда легко проникает через клеточную мембрану (краситель Hoechst 33324, имеющий синюю флюоресценцию), а второй доходит до ДНК только после нарушения целостности клеточной оболочки (пропидий йодид, флюоресцирующий в красной области спектра). До начала апоптоза ядро имеет равномерную синюю окраску, указывающую на равномерное распределение ДНК по его объему; с началом апоптотического процесса наблюдается конденсация ядерного материала в синие глыб- ки хроматина, цвет которых затем меняется с синего на розовый вследствие нарушения целостности мембраны и поступления в клетку йодида пропидия. Изменение цвета сопровождается возрастанием общей флюоресценции глыбок из-за присоединения к ДНК сразу обоих красителей. Далее происходит распад клетки на апоптотические тельца, в которых видна яркая флюоресценция ДНК.
Гибель клеток по некротическому пути начинается с увеличения объема клетки и разрыва клеточной мембраны. Ядро клетки сразу окрашивается йодидом пропидия. Разрыв мембраны происходит без ошаривания клетки. Предполагается, что именно рано наступающее нарушение целостности клеточной мембраны приводит к выходу цитоплазматического материала во внеклеточное пространство, из-за которого в организме развивается воспалительная реакция (напомним, что апоптотическая гибель клеток не сопровождается воспалением).
Клетки могут значительно различаться по времени гибели после облучения. Лимфоциты периферической крови, а также некоторые (но не все) клетки лимфоидного происхождения погибают в первые часы после облучения, не доходя до деления. Большинство других клеток погибает в течение нескольких дней после облучения, при этом некоторые из них проходят несколько делений, так что погибают «внуки», «правнуки» и т.д. облученной клетки.
Ранее было принято подразделять гибель клетки на два варианта — интерфазную, под которой понимали гибель клетки в интерфазе до вступления ее в первый постлучевой митоз, и репродуктивную, происходящую в момент деления. Интерфазную гибель связывали с особо высокой радиочувствительностью клеток, которая свойственна клеткам лимфоидного происхождения. Считалось, что по репродуктивному механизму погибают клетки иного происхождения. В последующем интерфазную гибель до вступления клетки в первый митоз стали связывать уже не только с временным фактором, но и с определенным механизмом гибели, а именно с апоптозом. Репродуктивную гибель связывали с некро- 98
тическим путем развития лучевого поражения, обусловленным утратой генетического материала в процессе деления клетки.
Однако сейчас уже ясно, что гибель клеток практически всегда происходит в интерфазе, но не только перед первым постлучевым делением, но в интерфазе после второго и последующих делений. Причем клетки погибают в интерфазе как по апоптотическому, так и по некротическому пути. Таким образом, в современном понимании вопроса ранее широко употребляемые термины «репродуктивной и интерфазной гибели» практически утратили свой первоначальный смысл, поэтому в последующих главах термин «интерфазная гибель» будет означать гибель клеток в первые часы после облучения.
Гибели клеток предшествуют различные изменения в их поведении, одним из которых является появление гигантских клеток, в качестве критерия образования которых некоторые авторы установили 15-кратное увеличение занимаемой клеткой площади подложки (ясно, что этот критерий выбран произвольно). Во многих клеточных культурах всегда присутствуют гигантские клетки, но их число обычно не превышает 1 —2%, в то время как после облучения оно возрастает в несколько раз. Различают два пути образования гигантских клеток — увеличением массы неделящейся клетки, в том числе происходящем при делении ядер без деления самой клетки, но чаще путем слияния потомков только что разделившейся клетки. У облученных клеток бывает не только два, но и большее число «потомков» — у них нередко происходит мультиполяр- ное деление, когда клетка делится на три и большее число частей.
Описанные в главе 7.1 наблюдения за клетками линии EJ30, облученными в дозе 6 Гр, показали, что их гибель проходит в основном по некротическому пути. Показателем этого служит разрыв клеточной мембраны с последующим выходом содержимого клетки наружу. Как видно из рис. 7.10, на котором представлены данные видеонаблюдения за этими клетками в течение 261 ч, гибель и распад клетки (обозначенные символом х) наступали как в первой интерфазе после облучения, так и при прохождении интерфаз между всеми 10 последующими делениями клеток. Гибели часто предшествовало образование гигантских клеток — как за счет деления ядер без деления клетки, продолжавшей увеличивать свою массу, так и путем обратного слияния дочерних клеток. Среди потомков 231 облученной клетки сформировалось 105 гигантских клеток, более чем десятикратно превосходящих по занимаемой площади необлученные клетки. Наиболее быстро, в течение прохождения первого и второго генерационного циклов, погибали
Время после облучения, ч
Рис. 7.10. Судьба потомков 8 клеток линии EJ30-15 (Л — 1—4, Б — 1—2 и В — 1—2) после облучения в дозе 6 Гр (по К. Чу и др. 2002):
вертикальная полоса — момент облучения.
Условные обозначения: х — гибель и распад клетки; г — образование гигантских клеток; о — ошаривание клетки; ► — слияние дочерних клеток; м — образование многоядерной клетки; ? — исчезновение клетки из поля наблюдения; СГ — секторальная гибель потомком (полная гибель потомков одной из двух дочерних клеток)
клетки, облученные через 9—12 ч после митоза, когда они находились в середине 5-периода. Отсутствие гибели по апоптотическо- му пути может быть связано с мутацией у этих клеток ТР53, из-за чего утеряна активность белка ТР53, участвующего в запуске этого процесса. Часть облученных клеток и их потомков погибала после входа в митоз.
Иная картина наблюдалась при облучении мышиных клеток лимфоидного происхождения линий ST4 и L5178Y-S и клеток лимфобластного лейкоза человека линии MOLT-4. Для этих клеток была характерна гибель по апоптотическому пути.
100
Рис. 7.11. Динамика гибели клеток линии ST4 (о) и линии L5178Y-S (б) лимфом мышей после облучения в дозе 4 Гр (по Б. Эндлих и др., 2000:
О—для клеток ST4— начало образования блебов, для клеток LSI78Y— начало аберрантного митоза или образования блебов; L (англ. Lost — «утеря») указывает на исчезновение фрагментов из поля наблюдения; • — момент изменения светопреломления и распада клетки
Клетки линии ST4 после облучения в дозе 2,5 и 4 Гр погибали в первые часы после облучения (рис. 7.11, а\ Уже через 1 ч после облучения клетки прекращали менять свою форму, а на мембранах появлялись блебы, исчезавшие через 20 мин, после чего клетки ошаривались и без признаков жизнедеятельности, только слегка увеличиваясь в объеме, находились последующие 2—4 ч. Затем происходил распад, который, однако, у этих клеток проходил сразу, без образования апоптотических тел. Весь процесс от вхождения клетки в апоптоз до ее полного распада занимал менее 10 ч. При снижении дозы до 1 Гр в интерфазе погибало 90% клеток, а гибель потомков большинства оставшихся клеток проходила в разные сроки уже после первого митоза, но с точно такой же картиной апоптоза. Обратим внимание, что апоптотические тела у этих клеток не образовывались.
Клетки L5178Y-S и MOL Т-4 демонстрировали иной характер гибели — после облучения в дозе 4 Гр в интерфазе, до наступления митоза, погибло 3% клеток L5178Y-S и 24% клеток MOLT-4 (см. рис. 7.11,0. Остальные клетки погибли после митоза, в подавляю-
101
щем большинстве в сроки до 60 ч после воздействия. В основном гибель наступала через 18—30 ч, во время первого или второго митоза (генерационный цикл у этих клеток, как было сказано в главе 7.1, составляет соответственно 7 и 9,5 ч). Гибели часто предшествовал удлиненный период G2, во время которого клетка вдвое перерастала по величине обычную премитотическую клетку. Затем следовал мультиполярный митоз или простое деление, приводившие к образованию сразу трех-четырех клеток, которые быстро сливались в одну. Образовавшиеся многоядерные клетки проходили несколько раундов блеббинга клеточной мембраны, а также фрагментации на несколько клеток с их последующим воссоединением, после чего следовало формирование апоптотических телец и окончательный распад. Авторы исследования определили такую динамику гибели, как поздний интерфазный и поздний митотический апоптоз.
Динамика гибели клеток линии £5178У-8не изменилась после повышения дозы до 10 Гр, что подтверждает строго детерминированный характер процесса апоптоза в клетках каждого вида. Отметим, что при столь разной динамике и картине гибели клеток трех линий их радиочувствительность, оцениваемая по способности образовывать макроколонии, была практически одинакова: Do равнялась 0,49 Гр для ST4, 0, 66 Гр для L5178Y-SM 0,59 Гр для клеток MOLT-4.
Относительно различий в динамике гибели клеток высказывается предположение, что гибель в первые часы после облучения обусловлена более активной работой сигнальной системы включения апоптоза в ответ на нерепарированные двойные разрывы ДНК, в то время как более поздняя гибель связана с обнаружением нарушений строения хромосом в периоде G2, а гибель в митозе — с хромосомными аберрациями. У клеток ST4, характеризующихся быстрой гибелью, имеется нормальный («дикого типа», не мутантный) ген Тгр53, продукт которого, белок Тгр53, успешно контролирует рост и дифференцировку клеток. У двух других клеточных линий белок Тгр53 либо мутантен, либо у них одновременно присутствует белок мутантного и дикого типов, что и может быть причиной отсутствия быстрого реагирования клеток на повреждение ДНК.
Аналогичную картину гибели клеток по апоптотическому пути наблюдали X. Форрестер и другие при изучении эмбриональных крысиных фибробластов, иммортализованных трансфекцией (искусственным введением в геном) онкогена с-Мус. Более 95% этих клеток после облучения в дозе 4 Гр погибали по апоптотическому 102
пути. Гибель клеток, попавших под облучение в середине и второй половине 5-периода наступала до первого деления, в то время как клетки, облученные в других фазах цикла, до момента гибели проходили от одного до шести делений. В итоге апоптоз наступал в сроки от 2 до 150 ч после последнего деления клетки. От момента ошаривания клетки до ее распада могло пройти значительное время, от 5 до 40 ч.
Облучение в дозе 9,5 Гр приводило к более быстрой гибели клеток. Интересно, что после трансфекции геном Ras4Q% клеток погибало по апоптотическому пути, а 60% клеток прекращало деление, но не погибало в течение, по меньшей мере, шести суток. В качестве примера еще более длительного переживания облученных клеток можно привести и собственные наблюдения за клетками меланомы мышей линии В-16, подвергнутых облучению в дозе 100 Гр. Хотя облучение в столь высокой дозе приводило к полному прекращению деления после прохождения нескольких митозов, еще и через три месяца после облучения в культуральном сосуде сохраняется большое количество клеток, хотя и сильно изменивших свой вид.
Отметим, что эти клетки нельзя назвать сохранившими «жизнеспособность», так как в радиобиологии этот термин «зарезервирован» для клеток, сохранивших «клоногенность», т. е. способность дорастать до видимых глазом колоний, что свидетельствует об их значительном пролиферативном потенциале.
«Коммунальный» эффект
Коммунальный эффект, также называемый «эффектом свидетеля» (по англ, bystander effect), заключается в поражении клеток, находящихся вне зоны воздействия радиации, но контактирующих тем или иным способом с облучаемыми клетками. При этом имеется в виду как непосредственный контакт облученных и необ- лученных клеток, так и их нахождение в одном и том же культуральном сосуде, а в ряде случаев — и контакт необлученных клеток со средой, в которой другие клетки подвергались облучению.
Феноменология «опосредованного» действия излучений изучается в опытах двух видов: исторически первыми были эксперименты по цитотоксическому действию биологических жидкостей, в которых происходило облучение клеток, на интактные объекты. В последние годы наибольший интерес вызывают технически сложные эксперименты по локальному облучению отдельных кле-
103
ток в культуре или даже отдельно цитоплазмы и ядра отдельных клеток с регистрацией различных форм цитотоксического эффекта у окружающих интактных клеток. Таким образом, коммунальный эффект наблюдается как in vitro, так и in vivo.
Еще в 1954 г. В.Б. Парсонс и соавторы сообщили об индукции хромосомных аберраций в клетках костного мозга грудины у детей, которым производили облучение селезенки по поводу хронического гранулоцитарного лейкоза. В 1967 г. Дж. Г. Холловей и Л.П. Литтлфилд описали индукцию хромосомных аберраций в лимфоцитах, культивируемых на среде с плазмой крови, взятой у больных, прошедших часть курса противоопухолевой лучевой терапии. Образование в крови облученных людей и экспериментальных животных неких факторов, вызывающих такие же эффекты, как и прямое облучение, в последующем было подтверждено в нескольких исследованиях. В работах И. Эмерита с соавторами 1985—1995 гг. было показано, что эти кластрогенные факторы имеют небольшой молекулярный вес — от 1000 до 10 000 дальтон и что в их возникновении играет роль оксидативный стресс и перекисное окисление липидов. На участие высокоактивных производных кислорода указывает снижение эффекта при введении в среду антиоксидантов и диметилсульфоксида, перехватчика радикалов.
В работах 2000—2003 гг. С. Мотерсилл, С.Б. Сеймур и их сотрудники продемонстрировали, что при облучении культуры клеток или эксплантата ткани в широком диапазоне доз — от 1 сГр до 5 Гр, в культуральную среду выделяются термолабильные, но устойчивые к замораживанию факторы (скорее всего, белковой природы), которые вызывают гибель интактных клеток, длительное снижение их клоногенного потенциала, а на молекулярном уровне — быстрое изменение проницаемости клеточной мембраны для кальция с последующим изменением проницаемости митохондриальных мембран и образованием высокореактивных соединений кислорода. При изучении продукции этого фактора облученным в культуре эпителием мочевого пузыря, взятого от различных больных, выяснилось, что эпителий от одних больных его продуцирует, а эпителий от других больных — нет.
Остановимся теперь на исследованиях, в которых в клеточных культурах облучали отдельные клетки или их отдельные структуры и наблюдали эффект в соседних «клетках-свидетелях». Начало исследованиям положили X. Насагава и Дж.Б. Литтл, которые в 104
1992 г. изучили индукцию сестринских обменов хроматид в клетках китайского хомячка линии СНО при низкоинтенсивном облучении а-частицами. Авторы обнаружили сестринские обмены у 30% клеток после облучения культуры в дозе 0,31 мГр, при которой а-частицы попадают не более чем в 1% клеток. Изучение обнаруженного эффекта другими авторами показало, что сигнальные вещества формируются с участием оксидативного стресса, а для проявления эффекта важен межклеточный контакт. Необходимость непосредственного контакта облученных и необлученных клеток трудно увязать с данными исследователей, показавших переход и длительное сохранение этих факторов в бесклеточной питательной среде. Это свидетельствует о том, что вопрос о механизме опосредованного действия ионизирующих излучений находится в стадии начального изучения. Данный вопрос представляет большой интерес и с позиций определения роли этого удивительного явления в определении результатов обычных опытов с облучением клеток: погибают ли клетки только вследствие выделения в них самих энергии излучения или их поражение дополнительно усиливается за счет «коммунального» эффекта лучевого воздействия.
Один из подходов к изучению механизма явления — локальное облучение отдельных клеток или их участков площадью в несколько микрон микропучками заряженных частиц. В этих опытах для облучения используются ускоренные ядра гелия 3Не2+ или протоны, а также характеристическое (мягкое) рентгеновское излучение. Облучение производят через коллиматоры, к которым с помощью компьютеризованного столика микроскопа подводятся клетки, выращиваемые в специальных тонкостенных чашках Петри. Аппаратура дает возможность локального облучения десятков тысяч клеток в час в заранее заданной дозе, например, избранным числом а-частиц, протонов или квантов рентгеновских лучей. Показательны эксперименты, проведенные Б.Д. Михаэлом (2003) в Греевской лаборатории с облучением клеток китайского хомячка микропучками рентгеновских лучей (рис. 7.12). В чашку Петри высеивали по 150 клеток, из которых облучали либо одну, либо пять, либо каждую из 150 клеток, а потом определяли способность клеток к образованию колоний. Общее число фотонов, получаемое клетками в чашке, всегда было одинаковым, независимо от того, пришлись ли они на одну, пять или на все 150 клеток. Приведенные на рисунке кривые выживаемости проведены с использованием а,р-модели, включающей поправку на включение малыми 105
Общее число фотонов, полученных клеткамиОбщее число фотонов, полученных клеткамиРис. 7.12. Коммунальный эф-фект при облучении клетоккитайского хомячка линии
Общее число фотонов, полученных клетками
Общее число фотонов, полученных клетками
V-19 рентгеновским характери-стическим излучением углеро-да, имеющим энергию 0,28кэВ (по Б.Д. Михаелю, 2003)
дозами радиации процессов клеточной репарации (за спадом выживаемости следует подъем при повышении дозы), и около кривых стоят значки, показывающие, какое количество клеток подверглось облучению. Полученные данные показывают, что наиболее сильное падение клонообразующей способности всех находившихся в чашке клеток произошло в случае, когда облучению подверглась только одна из них (нижняя кривая); эффект облучения был существенно менее выражен (т. е. кривая выживаемости располагалась выше) в случае, когда то же самое количество квантов радиации было равномерно распределено между всеми находившимися в чашке клетками. Гибель необлученных клеток в основном происходила в С2 — фазе цикла, независимо оттого, облучали ли клетки в фазе G, или С2.
В предыдущих опытах, проведенных в той же лаборатории, было показано, что воздействие двадцатью протонами на одну примерно из 200 клеток китайского хомячка, находившихся в чашке Петри площадью 70 мм2, приводит к гибели в среднем 14 необлученных клеток, в то время как облучение в такой же дозе, т. е. 20 протонами, каждой из имеющихся в чашке клеток приводит к гибели всего 40 из 200 клеток. В аналогичных исследованиях выявлен также повышенный уровень мутирования в клетках, находившихся рядом с клетками, подвергшимися локальному воздействию альфа-частиц или рентгеновских лучей. На клетках глиомы человека линии TG89G показано уменьшение выживаемости при их помещении в среду, взятую от этих клеток, подвергнутых облучению в другой культуральной посуде. Отметим, что на клеточных культурах коммунальный эффект снижения выживаемости столь 106
ярко проявляется только в области малых доз радиации, когда общее падение клоногенной активности не спускается ниже 89% от контрольных значений. •
В качестве следующего примера коммунального эффекта можно привести результаты опытов О.В. Белякова и др., проведенных in vitro, но уже не на клеточной, а на тканевой системе. Авторы подвергали облучению а-частицами эксплантаты мочеточников свиньи. При использовании 10 ос-частиц на пути их пробега, согласно расчету, в среднем оказывались всего четыре клеточных ядра (остальные частицы проходили только через цитоплазму). Последующее обследование эксплантата методом двухфотонного зондирования выявило 8 тыс. клеток с признаками лучевого поражения.
При исследовании коммунального эффекта на разных тканевых системах было обнаружено, что большую роль играет тип и облучаемых клеток, и клеток «рецепторов», воспринимающих сигнал. Таким образом, эффект может проявляться на одних тканевых системах и полностью отсутствовать на других.
В качестве разновидности коммунального эффекта сейчас рассматриваются и многочисленные данные о существовании опосредованного (дистанционного) эффекта радиации, проявляющегося на уровне целого организма в виде поражения тканей, находящихся на значительном расстоянии от облучаемого участка тела (см. гл. 16).
Пока не получено данных об увеличении интенсивности коммунального эффекта с ростом дозы облучения, что выделяет его из других радиобиологических эффектов, для которых характерно строгое соответствие величины эффекта дозе воздействия.
Изучение образования соединений, передающих сигнал об облучении на интактные клетки, и каскада биохимических реакций, возникающих в клетках в ответ на поступление такого сигнала, указывает на участие в этом процессе такого универсального передатчика сигналов, как окись азота — NO. При исследовании роли непосредственного межклеточного взаимодействия показано участие в осуществлении коммунального эффекта белка коннексина 43 — межклеточного передатчика сигналов. Введение антител к фактору некроза опухолей а в среду также подавляет выраженность коммунального эффекта. Однако в целом механизм этого Удивительного явления остается малоизученным. '
1.6. Лучевые поражения клеток, не отражаемыекривыми выживаемости
ДЛИТЕЛЬНО СОХРАНЯЮЩАЯСЯ ПОВЫШЕННАЯ ГИБЕЛЬПОТОМКОВ ОБЛУЧЕННОЙ КЛЕТКИ
Характерная для первых дней роста колонии гибель части потомков облученной клетки сохраняется в течение многих поколений. Колонии, образуемые облученными клетками, отличаются замедленным ростом и большой вариабельностью в размере. Медленный рост колоний определяется не увеличением длительности генеративного цикла (она постепенно возвращается к исходному значению), а постоянной гибелью части клеток, образно называемой секторальной гибелью потомков (полной гибелью всех потомков одной из двух дочерних клеток, которая может происходить как при делении самой облученной клетки, так и при одном из делений в ряду ее поколений, см. рис. 7.10). В упоминавшемся ранее исследовании механизма гибели клеток линии EJ30-15обнаружено, что после облучения в дозе 6 Гр клоногенность клеток, получаемых из колоний, содержащих более 50 клеток, достигала значений, свойственных необлученным клеткам (68 ± 4%), только при трипсинизации и посеве клеток через 10 дней после облучения (спустя 11 генерационных циклов), если оно пришлось на 5-период. Если в момент воздействия клетки проходили период Gv то клоногенность достигала нормы только через 23 дня (через 25 генерационных циклов) (рис. 7.13). На 11-й день роста колонии, соз-
Время после посева клеток (митотических), сут
Рис. 7.13. Длительное снижение клоногенной способности клеток карциномы мочевого пузыря человека линии EJ30-15 после облучения в дозе 6 Гр, проведенного в момент нахождения клеток в 5- и Gi-фазах клеточного цикла (по Э. Леонхарду и др., 1998)
даваемые интактными клетками, включали 692 ± 66 клеток; после облучения в дозе 6 Гр клеток в стадии синтеза ДНК колонии состояли из 424 ± 63 клеток, а после облучения клеток в предсинте- тическом периоде — только из 245 ± 49 клеток.
По данным У. Синклера, сниженная способность к образованию колоний после облучения фибробластов линии V- 79 китайского хомячка сохранялась в течение года (притом делятся эти клетки дважды в сутки). У иммортализованных (т. е. приобретших способность к безграничному размножению, в данном случае — с помощью трансфекции вирусного генома) кератиноцитов кожи человека пониженная клоногенность сохранялась не менее чем у 400 поколений. Длительность пониженной клоногенности пропорциональна дозе излучения.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ
Еще одним проявлением лучевого поражения клетки является «генетическая нестабильность», под которой понимается длительное сохранение отклонений в строении и функционировании генетического аппарата, в конечном счете, ДНК-белкового комплекса. Впервые это явление было обнаружено как сохраняющаяся в течение 12—25 поколений повышенная (10~6) частота трансформации мышиных клеток СЗН • ЮТ^1 после однократного рентгеновского облучения. При облучении клеток китайского хомячка линии СЯО повышенный уровень мутагенеза выявлялся на протяжении минимум 30 генераций у 10% клеток, переживших облучение. В облученных лимфоцитах повышенная частота хромосомных перестроек зарегистрирована после 10 делений.
Высокая частота хромосомных перестроек наблюдалась в потомках облученных клеток и in vivo, в клетках костного мозга мышей и в клетках эмбрионов после облучения зиготы мышей. В отдельных экспериментах генетическая нестабильность проявляется в возрастании числа точковых мутаций.
Механизмы индукции и поддержания генетической нестабильности не ясны. Имеются данные как о роли прямого поражения ДНК, так и о влиянии на генетическую нестабильность измененного клеточного метаболизма, хотя в этом случае не ясно, передаются ли эти изменения от клетки к клетке каким-то цитоплазматическим фактором или существенную роль играют изменения генетической информации, записанной в ДНК.
Роль прямого поражения ДНК следует из экспериментов, в которых показано дополнительное возрастание генетической неста-
109
бильности в потомстве клеток, облученных в присутствии бромдезоксиуридина, который способствует увеличению числа радиационных нарушений именно в молекуле ДНК. Новым методом обнаружения нестабильности генома стало изучение вариабельности мини и макросателлитных последовательностей ДНК, характеризующихся высокой природной вариабельностью. А.И. Газиев и др (2000) исследовали методом полимеразной цепной реакции с произвольно выбранным праймером ДНК, выделенную из ткани самцов мышей до облучения, и ДНК, выделенную из тканей их потомков первого поколения. Облучение отца в дозе 10 и 50 сГр при мощности дозы 1 сГр/мин привело к увеличению в ДНК потомства числа так называемых «неродительских полос» соответственно на 13 и 47% по сравнению с тканями необлученных животных. Возрастание полиморфизма продуктов полимеразной цепной реа- кии рассматривается авторами как указание на возможность повышения у потомства облученных родителей числа точковых мутаций, хромосомных аббераций и изменения характера генной экспрессии.
В качестве примера данных, указывающих на роль иных (помимо ДНК) структур в развитии генетической нестабильности, приведем результаты экспериментов, в которых участки цитоплазмы фибробластов человека локально облучали ускоренными ядрами гелия. При прохождении через участок цитоплазмы четырех ядер, что практически не сказывалось на жизнеспособности клеток, у части их потомков наблюдалось образование микроядер (следствие фрагментации ДНК) на протяжении 40 поколений. При облучении в такой же дозе только ядра образование микроядер в трех первых поколениях было более частым, чем после облучения цитоплазмы, но эффект быстро снижался и через несколько поколений становился менее выраженным, чем после облучения участка цитоплазмы. В экспериментах с облучением цитоплазмы гибридных клеток человека и хомячка всего пятью ускоренными ядрами гелия наблюдалось тройное увеличение частоты мутаций в локусе CD59(S1). Введение в среду перехватчиков радикалов и угнетение синтеза внутриклеточного глютатиона резко снижало частоту мутаций, что интерпретируется как указание на участие в этом процессе реактивных продуктов кислорода.
Интересно, что облучение цитоплазмы приводило в основном к возрастанию числа точковых мутаций, которые характерны для спонтанного мутагенеза, а локальное облучение ядра увеличивало частоту хромосомных перестроек. Вероятно, итоговый эффект длительной нестабильности генома после облучения является рено
зультирующим непосредственного поражения генома самим излучением и дополнительного поражения продуктами измененного клеточного метаболизма. На такую возможность указывает увеличение количества высокореакционноспособных продуктов кислорода у 80 поколений клеток GM10115, мутантных по белку р53. У этих клеток изменение метаболизма коррелировало с повышенной по сравнению с контрольными культурами некротической и апоптотической гибелью, которая, однако, не была связана с активностью р53.
РЕЗЮМЕ
Облучение приводит к ряду эффектов, выявляемых на клеточном уровне: замедлению прохождения генерационного цикла, образованию хроматидных и хромосомных аберраций, возникновению микроядер.
Сочетание биохимических и цитологических методов позволило определить признаки клеточной гибели, проходящей по апоптотическому и некротическому пути. Предполагается, что некоторые клетки, в первую очередь лимфоидного происхождения, «запускают» апоптотический путь гибели клетки при обнаружении повреждений, которые сами по себе не являются летальными.
Гибель клеток как по апоптотическому, так и по некротическому пути происходит как в первой интерфазе после облучения, еще до вступления клетки в митоз, так и в интерфазе между последующими делениями. Небольшая часть клеток гибнет после вступления в митоз.
Основным количественным критерием лучевого поражения клеток является степень утери клетками клоногенной активности, способности к образованию видимых глазом макроколоний. Количество клеток с хромосомными аберрациями, количество аберраций на клетку, а также число клеток с микроядрами и число микроядер на клетку коррелируют со снижением выживаемости клеток.
Получаемые в экспериментах in vitro и in vivo данные о выживаемости клеток при разных дозах излучения могут быть аппроксимированы с использованием уравнений, основанных на нескольких моделях клеточной гибели, что дает возможность сравнения клеток по радиочувствительности.
У некоторых радиорезистентных клеток обнаружено варьирование радиочувствительности, состоящее в крутом спаде выживаемости при дозах 0,1—0,3 Гр и некотором повышении при дальнейшем увеличении дозы до 0,8 Гр. Эти данные интерпретируются как свидетельство индукции у таких клеток системы репарации, включение которой происходит при дозах 0,2—0,5 Гр, что способствует повышению их выживаемости.
Установлено, что поражение клеток, как в культуре, так и на тканевом уровне, наступает не только при их непосредственном облучении, но проявляется и после облучения клеток, находящихся в том же культуральном сосуде, или в составе ткани, часть клеток которой подвергается лучевому воздействию. Это явление носит название «коммунального эффекта», или «эффекта свидетеля» (bystander effect). Его природа остается неясной, но к ее раскрытию привлечено внимание многих исследователей.
Помимо гибели непосредственно облученной клетки, облучение вызывает гибель части ее потомков в течение нескольких последующих поколений, а также приводит к генетической нестабильности среди ее потомков, проявляющейся в виде повышения уровня аберраций и других форм нарушения структуры ДНК, например, точковых мутаций.
8
Г Л А В A
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫЖИВАЕМОСТЬ КЛЕТОК ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ
Границы варьирования радиочувствительности асинхронных клеток при облучении in vitro
Вариабельность радиочувствительности по фазам клеточного цикла
Восстановление клеток, выявляемое изменением условий постлучевого культивирования
Восстановление клеток при переходе от однократного к фракционированному облучению
Уменьшение лучевого поражения при снижении мощности дозы излучения
Связь между восстановлением клеток и репарацией ДНК
Разработка методов определения клоногенной способности дала в руки исследователей универсальный критерий, который позволил проводить сравнение по радиочувствительности различных видов клеток, следить за ее изменением по стадиям клеточного цикла, а также дал возможность обнаружить явление восстановления клетки после облучения. Так как данное руководство в значительной мере ориентировано на врачей, занимающихся лучевой терапией злокачественных новообразований, многие вопросы в этой и других главах рассматриваются с позиций общности и различий в лучевых реакциях клеток нормальных тканей и злокачественных новообразований.
Вариабельность радиочувствительности клеток
Радиочувствительность разных видов клеток варьирует в широких пределах. Наиболее радиочувствительными среди всех видов клеток организма являются клетки лимфоидного происхождения, для которых обычная величина Do составляет «0,5 Гр. Высокая радиочувствительность характерна и для опухолевых клеток лимфоидного происхождения.
Представление о радиочувствительности нормальных клеток другого происхождения дают нижеприведенные данные о параметрах кривых доза—эффект для клеток нормальных тканей грызунов.
ТканьD,, Гр Величина плеча,
Dq, Гр
Костный мозг 0,9—1,0 Очень мала
Крипты тонкой кишки 1,34,0—4,5
Сперматогенный эпителий яичек1,72,7
Эпителий почечных канальцев 1,5—1,63,9
Выстилка альвеол молочной железы. . . .1,32,3
Фолликулы щитовидной железы2,02,3
Большой интерес с позиций клинической радиобиологии представляет изучение радиочувствительности опухолевых клеток, в том числе в индивидуальном плане, и установление ее корреляции с эффективностью излечения опухолей. Ж. Декон и др. (1984) определили величину SF2, фракцию клеток, сохраняющих способность к клонообразованию после облучения in vitro в дозе 2 Гр (см. гл. 7). Оказалось, что в целом она варьирует в очень широких пределах — от 0,1 до 0,9. SF2 для клеток радиочувствительных опухолей в среднем была равна 0,19, а для клеток радиорезистент- ных новообразований — 0,52. Примечательным оказался факт широкого варьирования радиочувствительности клеток, полученных из опухолей одного и того же гистогенеза, но от разных больных. Например, у трех линий клеток радиочувствительной опухоли нейробластомы SF2 составила 0,11, 0,15 и 0,37. Среди 18 линий клеток меланомы кожи SF2 варьировала от 0,20 до 0,88, среди клеток 4 линий глиобластомы (опухоли головного мозга) — от 0,30 до 0,86. Столь же широкая вариабельность характерна для немелкоклеточного рака легкого. Согласно данным Дж. Кармихеля и соавторов (1987), SF2 у 14 линий клеток опухолей данного гистогенеза варьирует от 0,18 до 0,77.
Р. Вексельбаум и М. Бекетт (1987) более детально изучили вариабельность радиочувствительности клеточных культур, полученных из биопсийного материала, взятого у больных перед началом лучевой терапии, облучая клетки в широком диапазоне доз. Это позволило определить величины Do и п. У 30 линий клеток опухолей головы и шеи Do менялась от 1,1 до 3,1 Гр, а п — от 1,2 до 2,2. Наблюдения за больными показали, что результаты лечения 114
были лучше у больных, опухолевые клетки которых имели Do меньше 1,8 Гр, хотя было полностью излечено несколько больных с более радиорезистентными новообразованиями.
Радиочувствительность клетокна разных стадиях цикла
Описанный в предыдущей главе метод оценки клоногенной способности клеток позволяет характеризовать усредненную радиочувствительность клеток в данной популяции. В то же время известно, что в период между делениями клетка проходит три фазы роста, во время которых меняется структура хроматина — основной мишени действия радиации. Изучение радиочувствительности клеток на разных стадиях цикла стало возможным после разработки методов синхронизации клеток. Первый и наиболее эффективный по сей день метод синхронизации был предложен Т. Терасимой и Л. Толмахом в 1963 г. Авторы воспользовались тем, что в момент митоза растущие в монослое на дне культурального сосуда клетки ошариваются и менее цепко держатся за подложку. При встряхивании культурального сосуда такие клетки отделяются от нее, и их можно собрать центрифугированием. При умелом стряхивании удается получить клетки, из которых 90—95% находятся в митозе. После посева таких клеток они синхронно проходят все три фазы первого митотического цикла. Облучение в одной и той же дозе, но в разное время после посева митотических клеток, позволяет проследить за изменением их радиочувствительности в течение генерационного цикла.
Изменение радиочувствительности по фазам цикла прослежено для нескольких видов клеток. Общий вывод таков, что наиболее радиочувствительными клетки оказываются в митозе. В фазе G, радиорезистентность клеток HeLa сначала возрастает, а потом снижается, вновь возрастая в 5-фазе, в то время как у клеток китайского хомячка линии V- 79 радиорезистентность постоянно растет, достигая максимума в конце 5-фазы (рис. 8.1) В периоде С2 радиорезистентность вновь снижается. Особняком находятся данные, полученные при изучении фибробластов мышей линии L, у которых клетки в предсинтетическом периоде более радиорези- стентны, чем в периоде 5.
Фаза 62 является второй по длительности после митоза, продолжаясь около 2 ч при общей длительности цикла и в 10, и в 20 ч. За этот период радиочувствительность резко меняется с макси-
б
Рис. 8.1. Радиочувствительность клеток на разных стадиях цикла: а — клетки HeLa (карцинома шейки матки человека); б — клетки китайского хомячка линии Г-79 (по У. Синклеру, 1970):
генерационный цикл опухолевых клеток человека составляет 21 ч, а клеток китайского хомячка —10 ч
мольной в конце 5-фазы до минимальной в митозе. Однако точно проследить ее изменение не представляется возможным, так как методов синхронизации клеток по вступлению в период G2 не существует, а посеянные митотические клетки к концу цикла подвергаются рассинхронизации. Таким образом, плавный спад радиочувствительности в значительной мере отражает не столько ис- 116
Доза излучения, Гр
МСг
Рис. 8.2. Кривые выживаемости клеток V-79 при облучении на разных стадиях цикла (по У. Синклеру, 1970)
тинное изменение радиочувствительности по циклу, сколько плавный переход клеток из 5-фазы.
Варьирование радиочувствительности по фазам цикла определяется изменением обоих показателей формы кривой доза—эффект — и ее наклона (7)0), и величины плеча. При переходе от митоза к стадии 5 возрастает способность к репарации — увеличиваются плечо и экстраполяционное число п, и снижается радиочувствительность — увеличивается Do (рис. 8.2). Ниже приведены параметры кривых выживаемости клеток китайского хомячка линии V- 79 при облучении в разных стадиях цикла (по У. Синклеру, 1970).
Стадия циклалD,, Гр
М 11,3
Gx >11,6
5-ранняя 2—31,9
5-поздняя 102,0
С2 11,3
Соответственно дозе излучения меняются и различия в выживаемости клеток, облученных в разное время цикла. Например, при дозе 12 Гр выживаемость клеток V-79, облученных на стадиях 5и 6„ различается в 15 раз, а при дозе 3 Гр — в 1,5 раза (рис. 8.3). При дозе в 2 Гр, используемой в качестве разовой в «стандартном» курсе лучевой терапии опухолей, такие различия в радиочувствительности привели бы к тому, что при облучении асинхронной популяции среди клеток, находящихся в периодах Gv 5 и G^ выжило
0,0020,0010,0020,0015 G2 M~ _JIIL_68 10 125 G2 M~ _JIIL_68 10 12
0,002
0,001
0,002
0,001
5 G2 M~ _JIIL_
68 10 12
5 G2 M~ _JIIL_
68 10 12
Время после синхронизации, ч
Рис. 8.3. Зависимость различий в выживаемости клеток V-79, облученныхна разных стадиях генерационного цикла, от дозы излучения, указанной вгреях около кривых (по У. Синклеру, 1970)
бы соответственно 49, 75 и 21%. Таким образом, при дозах, повседневно используемых в практической медицине, клетки в разных фазах цикла отличаются по выживаемости в 2—3 раза. В этих условиях облучение само по себе выступает в роли синхронизирующего агента. Сразу после него популяция обогащается радиорези- стентными клоногенными клетками (неклоногенные клетки погибают), в основном находящимися в 5-периоде. По мере выхода клеток из этого периода, популяция становится более радиочувствительной, но затем в результате рассинхронизации радиочувствительность возвращается к исходному значению.
В тканях взрослого организма значительная часть клеток находится вне цикла, в фазе покоя Со, потенциально сохраняя способность к пролиферации. При гибели части клеточной популяции такие покоящиеся клетки могут вступить в цикл и служить основой репопуляции.
В настоящее время отсутствуют адекватные методы оценки основных радиобиологических параметров покоящихся клеток in vivo. Соответствующие данные получены в основном путем экстраполяции результатов экспериментов с облучением стационарных культур, используемых в качестве модели покоящихся клеток. 118
Согласно этим данным, если и существуют различия в радиобиологических свойствах между клетками в покое и находящимися в цикле, то они невелики. Например, есть сведения о том, что клетки в стационарном состоянии не восстанавливаются от сублетальных повреждений. Однако клетки приобретают эту способность в том случае, если после облучения их поместить в оптимальные условия развития — в полноценную среду с небольшой плотностью клеток. Известны данные и об отсутствии различий в лучевых реакциях покоящихся и находящихся в цикле клеток in vivo. Например, установлена одинаковая степень радиочувствительности хромосом покоящихся и делящихся клеток печени. Анализ этих работ будет проведен при рассмотрении вопросов восстановления организма и отдаленных эффектов облучения (гл. 13 и 17).
Восстановление клеток
Явление восстановления клеток от лучевого поражения было открыто в конце 50-х годов. Здесь имеется в виду восстановление самой облученной клетки, а не восстановление на тканевом уровне (регенерация), известное гораздо раньше и послужившее основой для развития фракционированных режимов лучевой терапии опухолей, которые стали использовать еще в 20-е годы прошлого века.
В 1959 г. в опытах на дрожжах В.И. Корогодиным было показано, что если после облучения суспензии клеток вместо немедленного высева на питательные среды выдержать несколько часов в так называемой «голодной среде» и лишь затем поместить в нормальные для роста условия, то их способность к почкованию значительно увеличивается. Впоследствии такой вид восстановления был изучен в количественном плане и на животных клетках и получил название восстановления от потенциально летальных поражений.
Второй вид восстановления клеток носит название восстановления от сублетальных поражений. Он был обнаружен в опытах с фракционированным облучением одноклеточного объекта — хламидомонады — Б.С. Якобсоном в 1957 г. Через два года эффект был детально изучен на клетках млекопитающих М. Элкайндом, который определил динамику восстановления клоногенной способности клеток в зависимости от времени между фракциями дозы.
Рассмотрим феноменологию этих процессов.
РЕПАРАЦИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЛЕТАЛЬНЫХ ПОРАЖЕНИЙ
Опыты В.И. Корогодина были проведены на дрожжах Мег- ри-139. Дрожжи подвергали у-облучению, и одну часть клеток сразу высевали на питательную среду в чашки Петри, а другую часть клеток выдерживали перед посевом 48 ч в «голодной» среде, лишенной ряда питательных веществ, что не давало клеткам увеличивать свою массу и приступать к размножению. Оказалось, что в первом варианте после облучения в дозе 12 Гр выживало около 0,2% облученных клеток, во втором — до 40%. Затем в 1981 г. А. В. Глазунов и Ю. Г. Капульцевич выявили два компонента процесса восстановления — медленное восстановление, которое и открыл В.И.Корогодин, и быстрое, проходящее меньше чем за час. Авторы обнаружили, что выживаемость диплоидных дрожжей при высеве их после облучения на питательную среду, содержащую 8 или 10% NaCl, зависит от температуры во время облучения: понижение температуры с 20 до 3 или 0 °C приводит к существенному снижению выживаемости. Выдерживание в воде клеток, облученных при 0 °C, но сразу нагретых до 28 °C, уже через 30—40 мин приводит к быстрому повышению выживаемости. Эффект быстрого восстановления жизнеспособности нельзя обнаружить, облучая клетки при комнатной температуре или высевая их на стандартную питательную среду, так как в этих условиях восстановление успевает завершиться. Этот тип пострадиационного восстановления у дрожжей вносит большой вклад в регистрируемую выживаемость этих клеток в стандартных условиях (при высеве облученных клеток на стандартную питательную среду) в отличие от медленного пострадиационного восстановления. Для примера на рис. 8.4 показана выживаемость дрожжей на солевой (10% NaCl) (кривая 7) и стандартной (кривая 2) питательных средах в зависимости от времени выдерживания клеток в воде при 28 °C. В первые 30—40 мин происходит быстрое увеличение выживаемости клеток в солевой среде до постоянного значения, которое сохраняется в течение последующих одного-двух часов, что соответствует завершению быстрого пострадиационного восстановления; дальнейший рост выживаемости обусловлен медленным восстановлением, заканчивающимся через 40—50 ч. При высеве облученных клеток на стандартную питательную среду (без NaCl) можно наблюдать лишь медленное восстановление жизнеспособности. Быстрое восстановление наблюдали как после у-облучения, так и после облучения а-частицами 239Ри. Интересно, что увеличение выживаемости при задержке вступления клеток в деление наблюдали только у 120
Рис. 8.4. Быстрое (7) имедленное (2)восстановление клетокдиплоидных дрожжейSaccharomyces cerevisiae послеу-облучения в дозе 40 Гр(по А.В. Глазунову иЮТ. Капульцевичу, 1981)
диплоидных дрожжей; у гаплоидных оно отсутствовало, из-за чего последние и характеризуются более высокой радиочувствительностью.
Влияние условий пострадиационного культивирования на выживаемость клеток млекопитающих было продемонстрировано С.Н. Александровым (1959) на клетках, полученных из опухолей молочной железы, при выращивании в разных температурных условиях, а позднее И. М. Пархоменко (1963), которая помещала облученные в культуре клетки в фосфатный буфер или временно ингибировала синтез белка и лишь затем возвращала клетки в условия нормального роста. В. Дюи (1972) установил, что повышения выживаемости клеток китайского хомячка можно добиться снижением температуры во время и после облучения до 20 °C. Таким образом, наступающее при этом замедление метаболизма в большей мере влияет на продвижение клетки по циклу, приводящее к реализации лучевого поражения, чем на восстановление.
Более физиологичным методом избирательного торможения процессов подготовки клетки к делению является их перевод из логарифмического роста, в котором обычно находятся клетки при культивировании in vitro, в стационарную фазу, наступающую, когда клетки дорастают до монослоя. Выходу клеток из цикла и накоплению в фазе Go при этом способствуют два обстоятельства — контактное ингибирование, проявляющееся в какой то степени даже на клетках опухолевого происхождения (на которых проведено подавляющее количество опытов с клетками в культуре; не- трансформированные, нормальные клетки немедленно прекращают продвижение по циклу после того, как оказываются в окружении соседних клеток), и истощение питательной среды (кото-
Рис. 8.5. Изменение выживаемости клеток китайского хомячка (клон 451) при увеличении интервала между облучением в составе монослоя и рассевом (доза облучения —10 Гр)
рую специально не обновляют в такого рода экспериментах). Рис 8.5 демонстрирует феноменологию эффекта — возрастание выживаемости клеток в случае, когда трипсинизацию монослоя и его разделение до одиночных клеток проводили не сразу после облучения, а спустя несколько часов после него. Представленные результаты получены при одной дозе облучения — 10 Гр. Сравнение наклонов кривых доза—эффект при рассеве клеток сразу после облучения и спустя 6 ч показывает, что такая задержка перехода из покоящегося состояния в фазу логарифмического роста эквивалентна снижению их радиочувствительности (оцениваемой отношением величин Do) в 1,2 раза.
Эффект восстановления клеток от потенциальнолетального повреждения изучен при облучении in vitro большого числа клеточных линий, полученных из разных опухолей человека. Например, Р. Вексельбаум и М. Бекетт изучили в этом плане 17 клеточных линий, облучая клетки, когда они дорастали до состояния монослоя, и рассевая сразу после воздействия или спустя 24 ч. Эффективность клонообразования у клеток опухолей головы и шеи при рассеве через 24 ч увеличивалась от 2 до 20 раз, клеток остеосаркомы (опухоли кости) — от 2 до 22 раз, а клеток опухолей яичников — от 1,3 до 6 раз. Рядом авторов показано, что основная часть восстановления проходит в первые часы после облучения, и эффект восстановления от потенциальных деталей увеличивается при возрастании используемой дозы, так что указанных выше значений достигают только при использовании больших доз радиа- 122
ции. При репарации потенциальных леталей, в отличие от репарации сублеталей, у клеток меняется наклон кривой доза—эффект. При облучении культуры клеток, находящихся в фазе логарифмического роста, трипсинизация и рассев через разное время после облучения не меняют фракцию клонообразующих клеток.
Восстановление от потенциальных леталей показано и при облучении опухолей, которые выделяли из организма и подвергали трипсинизации для посева в культуру через разные сроки после облучения. Так, по нашим данным, выживаемость клеток асцитной или солидной опухоли Эрлиха при посеве клеток не сразу, а через 2 ч после облучения в дозе 10 Гр возрастает вдвое, а при посеве клеток из некоторых перевивных фибросарком мышей через 6 ч после облучения выживаемость клеток увеличивается в 2—5 раз. Результаты описанных экспериментов указывают на важность учета явления восстановления клеток от потенциально летальных поражений в исследовательской деятельности, например, при оценке в культуре радиочувствительности опухолевых клеток, облученных в составе новообразования (например, при оценке эффективности применения радиосенсибилизаторов опухолевых клеток при лучевой терапии). Ясно, что в каждой серии экспериментов забой животных, выделение опухоли, получение из нее клеток и их рассев на колониеобразование должен проводиться спустя одно и то же время после облучения. При несоблюдении данного условия выживаемость клеток, выделенных спустя несколько часов после облучения, будет выше, чем выделенных сразу после него. Надо только иметь в виду, что в эксперименте, как правило, используют однократное облучение, а в клинике применяется 4—5 фракций при предоперационном воздействии и 30 и более фракций при самостоятельной лучевой терапии. При дозах, обычных для лучевой терапии, увеличение выживаемости клеток в результате репарации потенциальных леталей не будет превышать 50%.
РЕПАРАЦИЯ СУБЛЕТАЛЬНЫХ ПОРАЖЕНИЙ
Сублетальные поражения в отличие от потенциально летальных сами по себе не приводят к гибели клеток, но делают их более чувствительными к последующему облучению. Так как лучевую терапию злокачественных опухолей проводят именно в режиме фракционирования, то естественно, что восстановление клеток от сублеталей существенным образом сказывается на ее результатах. Именно по этой причине показатели восстановления клеток от
сублетальных поражений изучаются очень тщательно, так что сейчас они уже известны для клеток из многих видов опухолей и практически всех нормальных тканей.
Первый из этих показателей — величина эффекта, т.е. насколько полным оказывается восстановление исходной радиорезистентности клетки. Как и всегда в радиобиологии, критерием может служить отношение равноэффективных доз при однократном и фракционированном воздействии, или отношение числа выживших клеток после однократного и фракционированного воздействия в одной и той же дозе.
Результаты опыта М. Элкайнда показали способность животных клеток к восстановлению от сублетального поражения (рис. 8.6). Как видно, восстановление клеток хомячка, использовавшихся в этом эксперименте, идет очень быстро и заканчивается уже через два часа. После облучения в дозе И Гр выживаемость снизилась до 1,5% от исходной, а при разделении дозы на две фракции — первую величиной 4,5 Гр, а вторую 6,5 Гр, выживаемость поднялась в четыре раза, до 2% от исходной. В части опытов в перерыве между воздействиями клетки находились при комнатной температуре, что не помешало процессам восстановления.
В последующем было установлено, что перерыв в облучении приводит к восстановлению плеча на кривой доза—эффект. В опытах, где второе облучение проводили в разных дозах (что дало возможность построить кривые доза—эффект) было показано, что во время перерыва плечо полностью восстанавливается, а наклон прямолинейного участка кривой доза—эффект (Dq) не меняется.
ооИнтервал между фракциями, чИнтервал между фракциями, чЭффективность репарации сильно зависит от дозы облучения в каждой из фракций. Если доза недостаточно велика и не выходит за пределы плеча кривой выживаемости, репаративные возможности клетки не могут полностью выявиться и фактор восстановле-
о
о
Интервал между фракциями, ч
Интервал между фракциями, ч
Рис. 8.6. Выживаемость клетоккитайского хомячка линии V-79после однократного облучения вдозе 11 Гр и при облучении ввиде двух фракций, 4,5 + 6,5 Гр,с разным интервалом междуними (по М. Элкайнду и др.
1965)
ния невелик. Между величиной плеча кривой выживаемости данного вида клеток (и соответственно величиной экстраполяционного числа л) и их способностью к репарации существует определенная корреляция — чем она больше (т.е. больше экстраполяционное число п), тем более эффективна репарация, однако имеются примеры и низкой способности к репарации у клеток, имеющих большое п. В целом при больших дозах облучения, когда репаративный потенциал может проявиться в полной мере, выживаемость клеток человека повышается в 2—2,5 раза, а выживаемость клеток грызунов — до 4—6 раз.
Так как эффективность репарации сублеталей в условиях фракционирования дозы оказывает очень существенное влияние на итоговую выживаемость клеток, неудивительно, что ее пытались определить для клеток и опухолей, и нормальных тканей. Клетки большинства видов опухолей животных и человека переведены в клеточные линии, так что эффект репарации можно изучать in vitro, а вот восстановление клеток нормальных тканей приходится оценивать методами математического моделирования на основании экспериментов, в которых локальное облучение изучаемой ткани проводят в виде различного количества фракций. Большинство экспериментальных исследований такого рода выполнено на мышах, но именно в параметрах объема и динамики репарации мыши отличаются от человека, и экстраполяцию данных проводят с учетом этого обстоятельства. Зато методы математического моделирования результатов клинических исследований с использованием различных режимов фракционирования позволяют определить основные показатели восстановления тканей человека. При расчетах толерантности нормальных тканей, которые будут рассмотрены в гл. 21, восстановление учитывается как степенной показатель у числа фракций. Этот показатель меняется от ткани к ткани.
В современной лучевой терапии применяют не только редкои- онизирующие излучения, при действии которых в основном оценивают показатели репарации, но и плотноионизирующие, в первую очередь, нейтроны. Первый опыт применения нейтронов для облучения опухоли, датируемый 30-ми годами прошлого века, оказался негативным из-за серьезного поражения нормальных тканей. И только после разработки методов оценки восстановления клеток в перерыве между фракциями стало ясно, что причина крылась именно в значительном уменьшении ее эффективности при действии излучений с повышенной Л ПЭ. Как было показано в
Доза излучения, ГрДоза излучения, ГрРис. 8.7. Диапазонварьирования наклона кривыхдоза—эффект для фибробластов,полученных от 42 нормальныхлиц (До = 1,0—1,6 Гр) и 10больных атаксией-телеангиэктазией(До = 0,3 - 0,6 Гр) (по Р. Коксуи В.К. Массону, 1980)
Доза излучения, Гр
Доза излучения, Гр
гл. 6, эффективность репарации ДНК значительно снижается, если разрывы распределены не равномерно, как в случае редкоио- низирующих излучений, а собраны в виде кластеров поражений соседних нуклеозидов.
В последние годы значительное внимание уделяется изучению влияния сниженной эффективности репарации на лучевое поражение нормальных тканей при лучевой терапии опухолей. У человека имеется ряд заболеваний с наследуемой к ним предрасположенностью, при которых происходит снижение репаративного потенциала клетки. Наиболее известным является атаксия-телеангиэктазия, которая вызвана мутированием гена А ТМ, появляющаяся в популяции с частотой 1:100 000. Дефект восстановления при этом проявляется в виде повышенной радиочувствительности клеток (рис. 8.7). На снижение способности к восстановлению указывает отсутствие повышения выживаемости фибробластов как при снижении мощности дозы излучения, так и при задержке с пересевом клеток, облученных в состоянии контактного ингибирования пролиферации. К числу наследственных заболеваний, характеризующихся повышенной радиочувствительностью, обусловленной снижением эффективности восстановления, относятся также анемия Фанкони, при которой не репарируются внутримолекулярные сшивки ДНК, и синдромы Блума и Вернера, при которых нарушена работа геликазы — фермента, расплетающего нити ДНК.
Другой вопрос, интересующий исследователей при изучении восстановления, — сохраняется ли величина эффекта при переходе от разделения дозы на две фракции к использованию большего числа фракций. Основные результаты здесь получены на культурах клеток и при фракционированном облучении нескольких тканей (органов) мышей. Во многих случаях величина эффекта восстановления сохраняется, однако и на опухолевых клетках, облу- 126
Рис. 8.8. Теоретические кривые доза—эффект для клеток карциномы Эрлиха линии ELD, растущих в культуре:
/ — однократное облучение в диапазоне доз от 0 до 16 Гр; 2, 3 и 4 — при разделении дозы в 18 Гр соответственно на 2, 4 и 8 фракций. Кривые 1 и 2 основаны на экспериментальных данных, кривые 3 и 4 — расчетные
чаемых в культуре, и при фракционированном локальном облучении легких мышей установлено некоторое снижение эффективности репарации. Здесь не имеется в виду естественное снижение объема репарации за счет того, что для достижения заданного эффекта при большом числе фракций приходится применять меньшие разовые дозы, при которых эффект восстановления, естественно, уменьшается. Здесь речь идет об истинном снижении репаративного потенциала при использовании нарастающего числа одинаковых по величине фракций. Тем не менее при моделировании процессов лучевой терапии обычно применяется постоянный для всего курса коэффициент увеличения выживаемости за счет репарации сублеталей (специфичный для рассматриваемой ткани). На рис. 8.8 приведены кривые доза—эффект для клеток асцитного рака Эрлиха линии ELD. Кривые для облучения в виде 4 и 8 фракций рассчитаны с использованием модели многих мишеней по Формуле
N/NQ ^-^_e-D/D»y\F,
где N/No — выживаемость клеток; D — доза излучения; Do и п — параметры кривой доза—эффект и F — число фракций. Параметры Do и п определены при однократном облучении клеток (кривая 7, построенная по экспериментальным данным).
При облучении в виде 8 фракций по 2,25 Гр выживаемость клеток составляет 4,8 • 10~2 от исходной, при 4 фракциях — 2,8 • 10"4, а при однократном облучении — 5,8 ■ 10 7 от исходной. Как видим, восстановление клеток в перерыве между фракциями сказывается на конечной выживаемости клеток весьма значительно. Заметим, что этот расчет проведен для мышиных клеток, отличающихся более высоким коэффициентом восстановления, чем клетки человека.
Отсутствие увеличения восстановительного потенциала клеток в процессе фракционирования показывает, что облучение вряд ли индуцирует или каким-либо другим путем увеличивает синтез ферментов репарации; возможно, что лимитирующими в этом процессе являются другие факторы.
Следующий показатель — время, необходимое клетке для завершения восстановления. Он важен для моделирования процессов, происходящих при лучевой терапии с использованием режима мультифракционирования, когда облучение производится 2—3 раза в день (в виде двух-трех фракций). Расчеты проводятся для нормальных тканей, причем при лечении опухолей разной локализации критическими оказываются разные ткани. Толерантная доза (т.е. максимально переносимая, для практических целей определяемая как доза, дающая 5% осложнений) хорошо известна для большинства критических тканей для режима с суточным интервалом между фракциями, в течение которого восстановление от сублетальных поражений полностью завершается. Данные для клеток человека в культуре и результаты клинических испытаний метода мультифракционирования с различными интервалами между фракциями указывают, что в случае быстро пролиферирующих тканей — клеток в культуре, клеток эпидермиса кожи и клеток слизистой оболочки органов пищеварения — для полного восстановления необходимо около двух часов. При этом восстановление клеток грызунов идет существенно быстрее, чем клеток человека, что надо учитывать при переносе экспериментальных данных на человека. Репарация сублетальных поражений в медленно обновляющихся тканях, где большинство клеток находится в периодах Go и GM, идет медленнее, поэтому при моделировании 128
процессов фракционированного облучения опухолей принимается, что для полного восстановления нормальных тканей необходим интервал не менее 6 ч. Именно такой интервал рекомендуется соблюдать между фракциями при использовании режимов муль- тифракционированного облучения. Для характеристики скорости восстановления нормальных тканей принято использовать такой показатель, как период полувосстановления, т.е. время, за которое достигается восстановление 50% оставшегося поражения. Для клеток спинного мозга мышей, например, период полувосстанов- ления Г,/2 равен 1,5 ч. Это означает, что при трехчасовом интервале пройдет восстановление от 75% репарируемых поражений, при 4—5-часовым интервале — 87,5%, и при 6-часовом клетка восстановится от 93,75% репарируемых поражений. С такой же скоростью идет восстановление и других медленно обновляющихся тканей, например клеток различных отделов почек. Т1/2для быстро делящихся клеток имеет меньшую величину и составляет для эпителия легких 0,8 ч, слизистой тонкого кишечника 0,5 ч и эпидермиса кожи 1,3 ч.
Клетки опухолей человека характеризуются значительной вариабельностью скорости восстановления показателя — при анализе в культуре 17 линий, полученных из новообразований различного гистогенеза, величина Г1/2 менялась в диапазоне от 0,36 до 2—3 ч. При такой широкой вариабельности скорости восстановления опухолей, и попадающих в зону облучения различных нормальных тканей использовать скорость восстановления для подбора «оптимального»интервала между фракциями лучевой терапии не представляется возможным.
Восстановление и мощность дозы
Учет фактора восстановления важен для расчетов толерантности нормальных тканей не только при фракционированном облучении, но и при облучении с малой мощностью дозы, используемой при так называемой контактной терапии (брахитерапии, от греч. брахи — на близком расстоянии). При этом источники излучения хирургическим образом внедряются в ткань на несколько дней или фиксируются около новообразований, расположенных в стенке полых органов или в непосредственной близости от нее, с помощью различных аппаратов или приспособлений. При низкой интенсивности воздействия восстановительные процессы идут не по окончании, а непосредственно во время облуче-
Доза излучения, Гр
Рис. 8.9. Уменьшение эффективности поражения клеток китайского хомячка линии CHL-F в условиях снижения мощности дозы у-излучения с 1,07 Гр/мин до 0,36 сГр/мин (по Дж. Бедфорду и Дж. Митчелу, 1973)
ния. Информация, необходимая для расчетов длительности облучения при использовании источников разной мощности,получается в экспериментах с облучением клеток при различной мощности дозы. На рис. 8.9 показано, как значительно снижается поражение клеток при уменьшении мощности дозы у-излучения с 1,07 до 0,16 Гр/мин и как оно еще более уменьшается при дальнейшем снижении мощности дозы до 0,36 сГр/мин.
Облучению подверглись клетки, уже образовавшие микроколонии со средним числом клеток на колонию, равным 3,5. В связи с этим по оси ординат отложена способность микроколоний дорастать до макроколоний, а не выживаемость клеток. Отступление от обычной практики вызвано также необходимостью использования одного и того же критерия при воздействии на клетки с большой и малой мощностью дозы, когда они успевают поделиться непосредственно во время облучения.
Хотя способность к репарации сублеталей должны проявляться у клеток одинаково как в опытах со снижением мощности дозы, так и в опытах с разделением дозы на фракции, на практике этого не происходит. Природа не хочет ложиться в прокрустово ложе логических построений, которыми всегда хочется связать похожие явления. Это наглядно проявилось в опытах Л. Келланда и Г. Стила, которые сопоставили способность к восстановлению при 130
фракционированном облучении и облучении со сниженной мощностью дозы у четырех видов клеток, полученных из опухолей человека. Облучение проводили однократно при высокой мощности дозы, 1,5 Гр/мин, разбивая его на две фракции с разными интервалами между ними, или однократно, но при низкой (1,6 сГр/мин) мощности дозы. Клетки облучали не в культуре, а во время роста в виде опухолей у бестимусных мышей. Выживаемость определяли после посева облученных клеток in vitro. Оказалось, что у клеток из разных опухолей можно было наблюдать самые разные соотношения эффективности репарации сублеталей, определенной в опытах с фракционированием и измеренной в опытах с низкой мощностью облучения. Более того, было найдено отклонение от прямой связи между эффективностью репарации и величиной п, характеризующей размер плеча на кривой доза—эффект, хотя такая связь и наблюдалась ранее при облучении клеток в культуре. Так, у полученных из меланомы (опухоли кожи) клеток НХ 118, имеющих характерное для этого вида новообразований сравнительно большое плечо (п = 3,2), наблюдалось значительное повышение выживаемости как при снижении мощности дозы (рис.8.10, а), так и при ее фракционировании. Разделение даже сравнительно небольшой дозы однократного облучения в 5 Гр на две фракции с интервалом в 3 ч повысило выживаемость в 2,2 раза. Клетки линии НХ32, полученные из карциномы поджелудочной железы, имели меньшее экстраполяционное число (п = 2), характеризовались малой зависимостью выживаемости от мощности дозы (см. рис. 8.10, б); фракционирование дозы также не повысило их выживаемость. У клеток MX 99, полученных из опухоли молочной железы — хотя эти клетки имеют гораздо большее плечо (и = 5,2), снижение мощности дозы не сказалось на выживаемости, да и разделение дозы на две фракции увеличило ее всего в 1,2 раза. Таким образом, реальная взаимосвязь между процессами восстановления, выявляемыми в разных опытах, остается неясной.
Восстановление клеток учитывается и в области радиационной безопасности при оценке последствий общего и локального воздействий. Многие данные о последствиях облучения человека получены при наблюдении за «японскими когортами» — более чем 85 тыс. лиц, выжившими после облучения во время атомных бом-
Доза излучения, ГрДоза излучения, Гр
аб
Рис. 8.10. Выживаемость клеток меланомы человека линии НХ 118 (а) и рака поджелудочной железы человека линии НХ 32 (б), облученных при росте клеток после трансплантации бестимусным мышам (по Л. Келланду и Г. Стилу, 1986):
мощность дозы облучения — 1,5 Гр/мин (/) и 1,6 сГр/мин (2); оценка эффекта — по клонообразованию in vitro
бардировок (см. гл. 17 и 23). Тогда воздействие радиации было мгновенным, т. к. облучение от выпавших изотопов было незначительным по сравнению с излучением, образующимся в момент взрыва. В условиях длительного накопления дозы (протрагиро- ванного и хронического воздействия), естественно, имеет место восстановление клеток от сублетальных поражений, что и приводит к ослаблению эффекта.
Закономерен вопрос, являются ли потенциально летальные и сублетальные поражения одним и тем же типом поражений, но по-разному выявляемым в экспериментах разного типа, или это разные виды поражений. Общепринятой точки зрения по этому вопросу не существует, имеются факты, указывающие на их разную природу. Например, из опухоли молочных желез мышей получены клоны клеток, одни из которых не способны к восстановлению от сублетальных поражений, но сохранили способность к репарации потенциальных деталей, а другие — дефектны по сис- 132
теме медленной репарации потенциальных деталей. Возможно, два вида репарации отражают работу разных ферментативных систем восстановления клетки.
Восстановление клеток и репарация ДНК
Связь между восстановлением от потенциальнолетальных и сублетальных поражений, наблюдаемом на клеточном уровне, с повреждением ДНК можно представить себе следующим образом. Часть поражений ДНК столь велика, что клетка не сможет пройти несколько делений, необходимых для ее учета как жизнеспособной, сколько бы времени у нее не было для восстановительных процессов. Часть поражений, вероятно, репарируется достаточно быстро ферментативными системами, действующими в обычном режиме. Благодаря этому часть клеток после облучения вступает в деление в обычное время, производя клоногенное потомство. У других клеток поражения элиминируются благодаря удлинению цикла, наступающему при обнаружении поражений во время прохождения клеткой чекпойнтов. Феноменологически это выглядит в виде задержки митозов, возрастающей с увеличением дозы излучения. Если клетка в момент облучения находится вне цикла, то у нее больше возможностей для восстановления, чем у клетки, активно реплицирующей ДНК и готовящейся к митозу. Поэтому клетки в стационарной фазе роста, независимо от того, находятся ли они там из-за дефицита питательных веществ или из-за контактного ингибирования (скорость прохождения цикла уменьшается даже у опухолевых клеток после того, как они покрывают всю поверхность культурального сосуда, хотя у них контактное ингибирование выражено несоизмеримо слабее, чем у клеток нормальных тканей) имеют больше времени для репарации потенциальных деталей. Если после облучения клетки сразу пересеять, поместив их на хорошую питательную среду и дав им место для размножения, то они не успеют отрепарировать повреждения ДНК до начала быстрого продвижения по циклу и погибнут. Если их пересеять через несколько часов после облучения, то их клоногенность возрастет. Это — эффект восстановления от потенциальнолетальных поражений.
Часть нанесенных повреждений ДНК не влияет на выживание Клетки и подвергается удалению в процессе ее нормальной жизнедеятельности. Однако эти повреждения могут становиться летальными в случае, если в клетке возникнут новые повреждения. Фе-
133
номенологически эти повреждения проявляются двумя способами: наличием у кривой доза—эффект плеча и более высокой выживаемостью клеток при фракционировании дозы.
РЕЗЮМЕ
Радиочувствительность клеток варьирует по стадиям цикла. Наиболее высока радиочувствительность клеток — во время митоза. Радиорезистентность клеток увеличивается по мере прохождения ими периода Gp у части клеток достигает максимума в 5-периоде и снижается в фазе GT.
Клетки способны восстанавливаться от нанесенного им радиационного поражения. Разные варианты опытов позволяют выделить два вида восстановления: восстановление от потенциальнолетальных и от сублетальных повреждений.
Восстановление от потенциальнолетальных повреждений проходит в условиях, когда клетка лишена возможности деления или для нее не создано возможности активной подготовки к нему.
Восстановление от сублетальных поражений обнаруживается как увеличение выживаемости клеток при разделении дозы на две и большее число фракций.
Объем восстановления от сублетальных поражений варьирует у разных клеток, как и скорость восстановления. Считается, что для полноценной репарации перерыв между фракциями должен составлять не менее 6 ч.
Объем восстановления, как правило, возрастает при снижении мощности дозы излучения, однако влияние сниженной мощности дозы значительно варьирует для разных клеток.
Эффективность восстановления снижается при возрастании ЛПЭ излучения.
Способность к восстановлению клеток, оцениваемая по разным критериям (по способности к репарации потенциальнолетального поражения и к восстановлению при дроблении дозы на фракции, а также по увеличению выживаемости при снижении мощности дозы излучения) по-разному проявляется в отношении каждого из этих критериев. Вероятно, что в каждом из трех тестов выявляется работа различных систем репарации.
9
ГЛАВ А
МОДИФИКАЦИЯ
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ.
КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ
Направленное изменение радиочувствительности биологических объектов
Количественный критерий модификации радиочувствительности
Кислород — один из наиболее сильных радиосенсибилизаторов Механизм повышения радиочувствительности клеток при действии кислорода
Зависимость сенсибилизирующего действия кислорода от его концентрации
Электронакцепторные соединения
В 1912 г. Г. Шварцем было замечено, что после рентгенотерапии опухолей на гиперемированной коже больных остается более светлая область, повторяющая форму окна тубуса рентгеновской трубки, которую в те годы старались плотно прижать к коже, что вызывало временную локальную ишемию. Как выяснилось позднее, именно прекращение кровотока и вызванное им снижение концентрации кислорода было причиной уменьшения лучевых реакций. Сейчас установлено, что кислород является одним из наиболее сильных модификаторов радиочувствительности. Явление зависимости тяжести лучевого поражения от содержания кислорода в окружающей клетки среде — усиление при повышении концентрации и уменьшение при ее снижении — в радиобиологии называют кислородным эффектом (КЭ).
Однако прежде чем перейти к детальному рассмотрению кислородного эффекта, остановимся на количественных критериях радиомодифицирующего действия того или иного агента.
Вопросы терминологии и количественныекритерии радиомодифицирующего эффекта
В радиационной биологии принято говорить о радиосенсибилизирующих и радиозащитных веществах (и агентах); при этом Имеется в виду, что идеальные сенсибилизаторы или защитные ве-
135
щества сами по себе не влияют на конечный эффект облучения. Кроме того, радиомодификаторами принято называть агенты, которые должны присутствовать или воздействовать на клетку (если это агенты физической природы) непосредственно в момент облучения.
Для оценки радиомодифицирующего эффекта используют три критерия. Основной из них — фактор изменения дозы (ФИД) — отношение равноэффективных доз в опыте и контроле; при этом как при усилении, так и при ослаблении лучевого эффекта берется отношение большей дозы к меньшей.
Иногда используют два других критерия: абсолютная величина разности между показателями в опыте (облучение с используемым модифицирующим агентом) и в контроле (само по себе облучение в той же дозе), а также и индекс эффекта — отношение показателей воздействия в опытной и контрольной группах. Второй и третий критерии дают неполное представление о степени модифицирующего эффекта, так как этот эффект всегда зависит от величины доз, при которых производится оценка; поэтому их обычно используют только для качественной оценки наличия или отсутствия эффекта в поисковых исследованиях.
Величина ФИД (ранее также называвшаяся ФУД — фактор увеличения или фактор уменьшения дозы) является наиболее полной характеристикой эффективности модификатора. Для ее определения нужно располагать дозовыми зависимостями исследуемого эффекта, например кривыми выживания в опыте и контроле.
На рис. 9.1 представлены кривые выживаемости клеток китайского хомячка при облучении в оксигенированном и аноксическом состояниях. Для снижения фракции выживших клеток до 0,01 (1%) от исходной при облучении на воздухе потребовалась доза в 8,9 Гр, при облучении в аноксии — 25 Гр, £>0 соответственно равна 1,5 и 4,5 Гр. Кислород, таким образом, повысил радиочувствительность клеток в 2,8 раза (25 : 8,9 = 2,8), т. е. он сенсибилизировал клетки с ФИД = 2,8.
При рассмотрении радиомодифицирующего действия кислорода величину ФИД часто называют коэффициентом кислородного усиления (ККУ), что является дословным переводом используемого в англоязычной литературе термина «oxygen enhancement ratio» (OER).
Если экспериментальные точки кривых выживаемости, полученных при облучении клеток в разных условиях оксигенации, были аппроксимированы с помощью модели многих попаданий, то мерой радиочувствительности в области больших доз (соответ- 136
Рис. 9.1. Кривые выживаемостиклеток китайского хомячкалинии FAF, клон 431, приу-облучении на воздухе и ваноксии:
1 — облучение оксигенированныхклеток: питательная среда уравнове-шена с воздухом, D„ = 1,5 Гр;2—облучение аноксических клеток:питательную среду в течение часауравновешивали с азотом высокойчастоты, вытесняющим из нее рас-творенный кислород, Д, = 4,5 Гр
ствующих прямолинейным участкам кривых доза—эффект) может служить величина \/D^ (напомним, что показателем радиочувствительности клеток, тканей или организмов является величина, обратная дозе, вызывающей определенный эффект). В этом случае ККУ (ФИД) может быть определен соотношением величин l/Z>0. В данном случае ККУ равен 3,0.
На практике часто приходится обсуждать не сенсибилизирующие свойства кислорода, а радиозащитное действие гипоксии. Дело в том, что человек исходно находится в условиях, когда сенсибилизация клеток кислородом почти достигает своего максимума. Это касается как нормальных тканей человека, так экспериментов с клетками, культивируемыми in vitro. Поэтому в экспериментальных условиях приходится создавать именно условия гипоксии, а не сенсибилизировать гипоксические клетки. С другой стороны, в такой важнейшей области практического применения радиобиологии, как лучевая терапия злокачественных новообразований, гипоксия опухолевых клеток является одним из важных факторов, лимитирующих успех лечения (см. гл. 21), и значительное внимание уделяется именно сенсибилизации гипоксических опухолевых клеток. В итоге необходимость обсуждать в практическом плане как сенсибилизирующее действие кислорода, так и защитное действие гипоксии привела к одновременному использованию двух терминов — и ККУ, и ФИД гипоксии (гипоксической защиты), но во всех случаях с точным указанием концентраций Кислорода во время облучения и «контрольного», и «опытного» объектов.
Механизм и основные характеристикирадиомодифицирующего действия кислорода
Радиомодифицирующее действие кислорода связано с его электронакцепторными свойствами, благодаря которым он присоединяется к радикалам ДНК, образующимся при прямом и косвенном действии излучений. При ионизации атомов на одном из участков макромолекулы образуется неспаренный электрон, который и захватывается кислородом на свою орбиту, и кислород, таким образом, присоединяется к молекуле ДНК в месте разрыва одной из химических связей. Такая модификация макромолекулы снижает эффективность ее репарации, а также меняет закодированную в ней информацию, что при синтезе белка приводит к вставке в молекулу «неправильного» аминокислотного остатка (см. гл. 6).
Помимо «фиксации», уменьшения репарабельности лучевых повреждений за счет присоединения к радикалам ДНК, кислород также способствует формированию более активных продуктов радиолиза воды, тем самым увеличивая число «первичных» повреждений макромолекул.
Увеличивать радиочувствительность наряду с кислородом могут и другие соединения, обладающие электронакцепторными свойствами. Такие соединения специально разрабатываются для сенсибилизации гипоксических опухолевых клеток, повышенная радиорезистентность которых отрицательно влияет на эффективность лучевой терапии (см. гл. 21). Некоторые из них используются в клинической практике.
Антагонистами кислорода, его конкурентами за взаимодействие с радикалами макромолекул в клетке выступают эндогенные доноры электрона, в первую очередь соединения, имеющие SH-группы. При присоединении электрона макромолекула теряет свою химическую активность (электроны становятся парными) и уже не взаимодействует с кислородом. Поэтому при изменении в клетке концентрации эндогенных SH-содержащих соединений, например глютатиона, кислород начинает сенсибилизировать клетки при более низком парциальном давлении. Действие многих радиозащитных препаратов (см. гл. 19) основано на повышении количества SH-соединений в клетке.
Рассмотрим основные показатели радиомодифицирующего действия кислорода и их зависимость от условий облучения. Прежде всего подчеркнем, что кислород является одним из самых сильных модификаторов радиочувствительности. В примере, по- 138
казанном на рис. 9.1, ФИД аноксии, оцененный по двум близким критериям поражения, равен 2,8 и 3,0. Столь сильный модифицирующий эффект в радиобиологии встречается очень редко.
В течение долгих лет считалось, что кислород является «идеальным» модификатором лучевого поражения, одинаково изменяющим радиочувствительность клетки во всем диапазоне доз излучения. Основанием для такой точки зрения служило то обстоятельство, что гипоксия меняла наклон кривой выживаемости (Д), не меняя экстраполяционное число п, которое в рассматриваемом примере и на воздухе, и в гипоксии равно 5. Поэтому для оценки ФИД гипоксической защиты облучение клеток раньше проводили в основном в больших дозах, чтобы как можно точнее определить величины Д. Кислород и был бы «идеальным» модификатором, если бы кривые доза—эффект экстраполировались к п = 1. Однако при значении экстраполяционного числа п > 1 начальный участок кривой для аноксических условий должен раньше и более быстро приближаться к 1, чем кривая для оксигенированных клеток, в результате чего степень гипоксической защиты в области малых доз снижается. Как показали исследования, в которых выживаемость клеток изучали в области доз от 0,5 до 3 Гр, при дозах 1—2 Гр ФИД аноксии равен 2—2,5, в то время как в тех же условиях в области доз 10 Гр при облучении на воздухе и 30 Гр при облучении в аноксических условиях ФИД был равен 3,0—3,5.
Для проявления сенсибилизирующего действия кислород должен находиться в клетке непосредственно в момент радиационного воздействия или поступить в клетку в течение нескольких микросекунд после акта ионизации. В опытах с облучением аноксических бактериальных клеток короткими, длящимися всего 2 мкс, импульсами электронов, показано, что оксигенация клеток всего через 2 мс после окончания облучения уже незначительно увеличивает их радиочувствительность. Более поздняя оксигенация клеток вообще неэффективна. С другой стороны, кислороду не требуется много времени и для сенсибилизации ранее аноксических клеток. Оксигенация всего за 20 мс до облучения делает клетки столь же радиочувствительными, как и те, что постоянно находились в контакте с воздухом. Такая скорость изменения радиочувствительности клеток обусловлена физико-химическим действием кислорода, а не его влиянием на обменные процессы.
Динамика проявления кислородного эффекта (КЭ) на клетках млекопитающих принципиально не отличается от наблюдаемой на бактериальных системах. На примере клеток китайского хомячка линии V79 показано, что подведение к ним кислорода спустя 5 мс после облучения лишь немного увеличивает их радиочувствительность. Наоборот, введение кислорода в аноксическую среду 139
ККУ(т)
Парциальное напряжение кислорода, мм рт. ст.
Рис. 9.2. Зависимость ККУ от парциального напряжения кислорода во время облучения: парциальное напряжение кислорода отложено на линейной шкале всего за 2 мс до облучения сенсибилизировало клетки до уровня хорошо оксигенированных. В литературе упоминается и несколько большее время, требуемое для полной сенсибилизации, — 40 мс, но все равно это время составляет доли секунды и необходимо только для диффузии кислорода от источника его поступления в среду до внутриклеточных мишеней.
Весьма важно рассмотреть зависимость ККУ от концентрации кислорода в среде. Для ее варьирования используют уравновешивание питательной среды с газовыми смесями, содержащими все уменьшающееся количество кислорода, вплоть до чистых инертных газов. Впервые форму такой зависимости установил Л. Грей с сотрудниками в 50-х годах, и она обычно приводится в руководствах по радиобиологии в виде кривой, показанной на рис. 9.2. На этом рисунке на линейной шкале абсцисс откладывается парциальное давление кислорода, рО2 (или концентрация кислорода в равновесной с клетками газовой среде), а на линейной ординате — ККУ, оцениваемый либо по соотношению равноэффективных доз при определенном уровне выживаемости клеток, либо по отношению наклонов кривых выживаемости — величинам £>0. Однако использование линейной шкалы для парциального давления кислорода не позволяет следить за изменением ККУ в области низких концентраций О2. Гораздо нагляднее эта зависимость прослеживается при использовании логарифмической оси абсцисс, на которой откладывается рО2 (рис. 9.3). Логарифмическая шкала концентраций кислорода не имеет нулевого значения, поэтому в практическом плане можно предложить называть аноксическим 140
ККУ(т)
Парциальное напряжение кислорода, мм рт. ст.
Рис. 9.3. Усредненная зависимость ККУ (т — уравнения Говарда-Фландерса — Альпер) от парциального напряжения кислорода во время облучения, построенная по данным для нескольких линий животных клеток, полученных разными авторами с использованием у-излучения
состояние клеток, находящихся при рО2 ниже 0,1 мм рт.ст., так как при более глубоком снижении концентрации кислорода радиорезистентность клеток не увеличивается. В области высоких концентраций кислорода состоянием полной оксигенации, с практических позиций, можно считать 160 мм рт. ст., которые достигаются при уравновешивании питательной среды с воздухом. В воздухе при температуре 37 °C содержится 20,92% О2, что на уровне моря соответствует парциальному давлению кислорода, равному ~159мм рт. ст. (0,209 от 760 мм рт. ст.).
Таким образом, в полулогарифмической шкале координат зависимость ККУ от рО2 имеет 5-образный вид. Наиболее круто радиорезистентность клеток увеличивается (уменьшается ККУ) при снижении рО2 в области значений от 20 до 0,1 мм рт. ст., и уровень оксигенации клеток в этом диапазоне далее мы будем считать гипоксическим состоянием.
Связь между концентрацией кислорода во время облучения и радиочувствительностью, показанная на рис. 9.2 и 9.3, аналитически описывается уравнением, предложенным П. Говардом-ФланДерсом и Т. Альпер, исходя из представлений о конкурентном характере взаимодействия окислителей (кислорода) и восстановителей в «фиксации» лучевого поражения макромолекул, под которой понимается перевод поражения в нерепарируемое состояние. Формула имеет вид:
l/Z)0|O] m[O]+KККУ —= ,
\/Ой^ [0]+[K]
где /)0[О] и 7)0G4) — величины, характеризующие радиочувствительность (/)0) при изучаемой концентрации кислорода [О] и в аноксии (Л); т — максимальная величина ККУ при облучении клеток в условиях полной оксигенации; К — константа, равная концентрации кислорода, при которой радиочувствительность является средней между максимальной и минимальной (равной 2, среднему между 3 и 1). В примере, приведенном на рис. 9.3, величина К составляет 2,5 мм рт. ст., что соответствует ~ 0,32% О2 в равновесной с клетками газовой фазе, а т = 3. Для разных клеток млекопитающих величина К варьирует в пределах от 2 до 6 мм рт. ст.
Максимальная величина ККУ при использовании у-излучения достигает 3,5, обычно равняясь 3. Для рентгеновских лучей, создающих несколько более плотные треки электронов, ККУ составляет 2,6—2,8, хотя в некоторых работах, где удаление следов кислорода проводилось особенно тщательно, ККУ для рентгеновских лучей достиг 3,0. Правда, в столь же тщательно выполненных экспериментах с у-излучением ККУ был равен 3,5. Различие в величинах ККУ для у- и рентгеновского излучения следует иметь в виду при анализе литературных данных, рассматривающих результаты определения величин т и К для разных клеток. Оба вида излучения и рентгеновское, и у-излучение относятся к редкоиони- зирующим, однако средняя Л ПЭ у рентгеновских лучей несколько выше, чем у у-излучения, так что отличия в результатах определения т и К разными авторами могут быть не только следствием использования разных объектов, но и разных источников излучения.
Величина кислородного эффекта зависит от ЛПЭ излучения, снижаясь при ее возрастании. При ЛПЭ свыше 150 кэВ/мкм кислород перестает модифицировать радиочувствительность клеток (рис. 9.4). Промежуточное значение (1,6) имеют быстрые нейтроны с энергией 15 МэВ и ЛПЭ 80 кэВ/мкм. В полном виде зависимость ККУ от ЛПЭ представлена на рис. 9.5
Общепринятых представлений о причинах снижения радиоза- щитного действия гипоксии для плотноионизирующих излучений не существует. Одно из них объясняет снижение защитного действия гипоксии фактором объема локального поражения ДНК, которое при действии плотноионизирующих излучений столь велико, что вообще не репарируется, независимо от того, присоединился ли кислород в местах разрыва внутримолекулярных связей 142
Доза излучения, Гр Доза излучения, Гр бв
Рис. 9.4. Кривые выживаемости клеток почки человека при действии излучений с разными ЛПЭ (по Г. Барендсену и др., 1966; Й. Броерзе и др., 1967):
а — 250 кВ рентгеновское излучение, ЛПЭ = 1,3 кэВ/мкм; ККУ на уровне выживаемости, равной 0,2 от исходной, составляет 2,5; б— нейтроны с энергией 15 МэВ, ЛПЭ я 80 кэВ/мкм, ККУ = 1,6; в — а-частицы 21“Ро с энергией 2,5 МэВ,
ЛПЭ я 166 кэВ/мкм, ККУ= 1; светлые значки — облучение клеток в аэрированной среде, темные значки — облучение клеток в аноксии
или нет. Добавим, что, согласно а, p-модели лучевого поражения, при увеличении ЛПЭ в поражении клетки все большую роль играет a-компонента, отражающая крупные, плохо модифицируемые локальные поражения ДНК. ККУ для a-компоненты, определенный при рентгеновском облучении клеток, равен 1,15, в то время как для p-компоненты равен 3,3 [Петтерсен Э.О. и Ванг Г., 1996]. Добавим, что малая модифицируемость a-компоненты радиаци- 143
ККУ, (///)
Рис. 9.5. Коэффициент кислородного усиления (ККУ) как функция ЛПЭ при облучении клеток почки человека (по Г. Барендсену, 1966):
Д — 250 кВ рентгеновское излучение, ЛПЭ » 1,3 кэВ/мкм; • — моноэнергетические тяжелые частицы, имеющие ЛПЭ, указанные на оси абсцисс
онного поражения и ее преимущественная роль при облучении клеток с высокой ЛПЭ объясняет также пониженную репарируе- мость поражений, нанесенных плотноионизирующими частицами, и низкие ФИД как радиосенсибилизаторов, так и протекторов.
Другая, более ранняя точка зрения основывается на данных о выделении в треке плотноионизирующего излучения молекулярного кислорода, который и увеличивает поражение критических мишеней клетки. При высокой плотности ионизации в воде гидроксильные радикалы образуются так близко друг к другу, что взаимодействуют с образованием перекиси водорода:
он + он -> Н2О2
Далее идут следующие реакции:
Н2О2 + Н2О2 Н2О2 + но2
НО2 + ОН -> Н2О + о2
но2 + но2 -> Н2О2 + о2
которые приводят к выделению молекулярного кислорода. На микрометр пути электрона, возникающего при у-облучении, образуется до 10 пар ионов, а на микрометр пути альфа-частицы — 3000 пар, так что количество образующегося в треке кислорода существенно разнится, что и определяет снижение ККУ.
В нескольких работах ККУ был определен для клеток в разных стадиях цикла. Оказалось, что он минимален для клеток в митозе и 144
максимален в 5-фазе. По данным Фрейера и соавторов (1991), у клеток китайского хомячка линии СНО ККУ равен 2,3—2,4 в фазе Gx, 2,8—2,9 в 5-фазе и 2,6—2,7 в фазе Сг.
Заключая рассмотрение кислородного эффекта, отметим, что знание деталей возрастания резистентности клеток в условиях гипоксии важно в практическом плане, так как оно является отрицательным моментом при лучевой терапии злокачественных новообразований. Причина лежит в возникновении в опухоли зон хронической и острой гипоксии, практически отсутствующих в здоровых тканях. Напомним, что у человека рО2 газовой среды в легких соответствует « 100—110 мм рт. ст., уровень оксигенации артериальной крови в норме равен 95 — 100 мм рт. ст., венозной крови — 30—60 мм рт. ст., так что клетки большинства нормальных тканей находятся при рО2 от 20 до 100 мм рт. ст. Уровень оксигенации нормальных тканей обеспечивает их максимальную радиочувствительность. Напротив, злокачественные новообразования характеризуются в целом более низкой оксигенацией и наличием гипоксических зон, где рО2 составляет всего несколько миллиметров ртутного столба, что избирательно увеличивает их радиорезистентность. Поэтому разработка методов преодоления радиорезистентности опухолей, обусловленной гипоксическими клетками, является одной из важных задач радиационной онкологии, о чем более подробно будет сказано в гл. 21.
РЕЗЮМЕ
Радиобиология располагает методами усиления лучевого поражения с помощью агентов химической и физической природы, которые рассматриваются как радиосенсибилизаторы, и методами ослабления лучевого поражения с помощью радиопротекторов.
Количественным критерием степени изменения радиочувствительности объекта является ФИД — фактор изменения дозы, определяемый по соотношению доз излучения, необходимых для получения одинакового эффекта при облучении объекта в «контрольных» условиях и при применении радиомодифицирующего агента.
Одним из наиболее значимых для различных разделов радиобиологии модификаторов радиочувствительности является кислород. Зависимость радиочувствительности от концентра-
145
ции кислорода в окружающей среде в момент облучения носит название кислородного эффекта.
Сенсибилизирующий эффект кислорода является следствием его высокого сродства к электрону (окислительной активности), благодаря которому он легко присоединяется к макромолекулам ДНК в местах разрывов межатомных связей, вызванных ионизацией. Присоединение кислорода снижает эффективность работы систем репарации ДНК.
Радиорезистентность клеток быстро увеличивается при снижении рО2 от 20 мм рт. ст. до нулевых значений. Максимум резистентности достигается в аноксических условиях. Наоборот, увеличение рО2 свыше 20 мм рт. ст. на радиочувствительности клеток практически не сказывается.
При действии редкоионизирующих излучений ФИД аноксии достигает 3 в области больших доз и составляет 2,0—2,5 при облучении клеток в дозах до 2 Гр.
Радиомодифицирующий эффект кислорода зависит от ЛПЭ излучений. Эффект максимален при действии редкоионизирующих излучений (ЛПЭ в диапазоне 1—2 кэВ/мкм) и снижается до 1 при ЛПЭ « 150 кэВ/мкм.
Наиболее важен учет кислородного эффекта при лучевой терапии опухолей, для которых характерен переход части клеток в гипоксическое состояние. В большинстве нормальных клеток гипоксические клетки отсутствуют.
ГЛАВА
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ (ОБЭ) ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Связь ОБЭ с ЛПЭ
Методы оценки ОБЭ
Эффект «перепоражения»
ОБЭ и кислородный эффект
Другие факторы, влияющие на величину ОБЭ
Ограничения в концепции ОБЭ
Эквивалентная доза
Эффективная доза
При описании физических основ биологического действия радиации указывалось, что воздействие разными видами излучений, но в равных поглощенных дозах приводит к различным по величине эффектам. Это свойство излучения, часто называемое его качеством, определяется не столько физической природой излучения, сколько его Л ПЭ. Для количественной оценки качества излучения введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ).
Методы оценки ОБЭ и ее связь с линейнойпередачей энергии
ОБЭ оценивают сравнением дозы излучения, вызывающей определенный биологический эффект, с дозой стандартного излучения, обусловливающей тот же эффект. Ранее в качестве стандартного принималось рентгеновское излучение, генерируемое при напряжении на трубке в 180—250 кВ. Значение (величину, коэффициент) ОБЭ вычисляют из отношения сравниваемых доз по формуле:
ОБЭ = Dr/Dx, где Dr — доза рентгеновского излучения, Гр; Dx — доза изучаемого излучения, Гр; при этом эффект сравнивают по одному и тому 147
10 нм10 нм
10 нм
10 нм
Электрон0,5 МэВЭлектрон0,5 МэВ+^v^W^^^- а»а
Электрон0,5 МэВ
Электрон0,5 МэВ
о-Первичная о.Вторичная .-Возбуждение ^ ионизация ионизация
Рис. 10.1. Отрезок траекторий различных заряженных частиц, дающийпредставление о распределении актов ионизации и возбуждения вкритическом микрообъеме в зависимости от ЛПЭ
же показателю. Сейчас принимается, что в качестве стандартного можно использовать у-излучение, которое широко применяется при лучевой терапии опухолей и для которого соответственно известны количественные данные о связи с дозой самых разных эффектов поражения. Следует иметь в виду, что ОБЭ у-излучения (эффективность действия на единицу поглощенной дозы по сравнению с рентгеновским излучением) составляет 0,8—0,9.
В первом приближении можно считать, что при тщательном соблюдении экспериментальных условий сравнения эффектов ОБЭ зависит только от ЛПЭ.
Поэтому, например, протоны, дейтроны и а-частицы, ускоренные до высоких энергий (200 МэВ и более), имеют приблизительно такую же эффективность, как и рентгеновское излучение, генерируемое при энергии 200 кВ, так как они характеризуются близкими значениями ЛПЭ. Те же виды излучения, но с меньшими энергиями и соответственно с большей ЛПЭ, обладают и большей ОБЭ.
Увеличение ОБЭ с ростом ЛПЭ легко понять из данных рис. 10.1, где схематически представлено распределение актов ионизации вдоль треков заряженных частиц различной природы и 148
Доза излучения, Гр
Рис. 10.2. Кривые выживания клеток почки человека, подвергнутых облучению (по Г. Барендсену, 1968):
/ — рентгеновское излучение; 2—нейтроны; 3 — а-излучение
энергии в микрообъеме, от поражения которого зависит проявление регистрируемой реакции. Видно, что эффективный объем может совсем не поражаться при воздействии редкоионизирующих излучений; с ростом Л ПЭ вероятность поражения увеличивается.
На рис. 10.2 представлены результаты облучения клеточной культуры тремя видами ионизирующей радиации, резко различающимися по ЛПЭ: рентгеновским излучением 250 кэВ, нейтронами 15 МэВ и а-частицами. Их ЛПЭ увеличивается от 1,3 кэВ/мкм у рентгеновского излучения до 100 кэВ/мкм у а-частиц. По мере роста ЛПЭ, увеличивается наклон кривых и уменьшается экстраполяционное число (сокращается плечо на начальном отрезке кривых), достигая единицы при а-облучении.
Следовательно, с ростом ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их способность к восстановлению. Соотношение ЛПЭ и ОБЭ имеет максимум. Как видно из рис. 10.3, ощутимый рост ОБЭ начинается с Л ПЭ, равной 10 кэВ/мкм, достигает максимального значения при ЛПЭ — 100 кэВ/мкм; с последующим увеличением ЛПЭ круто падает. Причина этого явления состоит в том, что гибель клетки происходит после поглощения достаточного количества энергии в некотором критическом объеме. Естественно, что с ростом ЛПЭ такая вероятность увеличивается. Но после некоторых величин ЛПЭ наступает насыщение, и каждая последующая частица теряет энергию уже в убитой клетке; следова-
ОБЭ
i । । 1111 il। । । 1111 il।। i ,.i । и il। i—i Mini „
0,11101001000
ЛПЭ, кэВ/мкм ткани
Рис. 10.3. Зависимость ОБЭ от ЛПЭ и дозы излучения для выживаемостиклеток почек человека (по Г. Барендсену, 1968):
уровень выживаемости клеток: 7 — 80%' 2 — 10%; 3—1% (объяснение в тексте)
Рис. 10.4. Иллюстрация избыточного поражения клетки (по Э. Холлу, 2000): максимальная ОБЭ проявляется при ЛПЭ 100 кэВ/мкм, когда достаточно двух попаданий в мишень (около 2 нм) для возникновения двойного разрыва ДНК, следствием которого является гибель клетки, мутация или онкогенная трансформация. Дальнейший рост ЛПЭ сопровождается «перепоражением»
тельно, эффективность излучений с такой достаточно высокой ЛПЭ падает, так как энергия расходуется вхолостую.
Это явление наглядно представлено на рис. 10.4, где показано, что после оптимального значения ЛПЭ, когда наблюдается максимум пораженных единиц на единицу дозы (т. е. разменивается ровно столько энергии, сколько нужно для поражения всех мишеней), наступает эффект избыточного поражения («перепоражения», overkill).
Такова общая картина связи ОБЭ с ЛПЭ. В действительности она оказывается более сложной. В основном это объясняется тем, что обычно в расчет принимают средние величины Л ПЭ, но расчет ОБЭ по средней величине ЛПЭ — лишь грубое приближение, при котором теряются детали пространственного распределения ионов. Особенно сильно это сказывается при нейтронном облучении, характеризующемся размытым спектром энергий, а следовательно, и разбросом значений ЛПЭ.
В специальной области дозиметрии — микродозиметрии, учитывающей микрораспределение актов ионизации в различных внутриклеточных структурах, изучается его отражение на кривых выживания при различных условиях облучения.
Зависимость ОБЭ от условий облученияи других факторов
Величина ОБЭ зависит не только от вида излучения и его Л ПЭ, но и от исследуемого эффекта, а также от множества других факторов, перечислить которые, по существу, невозможно. Главные из них, которые всегда следует учитывать, — это величина и мощность дозы, режим фракционирования, дефицит или отсутствие кислорода.
На рис. 10.5 представлен пример зависимости ОБЭ от регистрируемой реакции (и одновременно от ЛПЭ). Наибольший летальный эффект наблюдается при ЛПЭ, равной 100 кэВ/мкм, тогда как задержка клеточного деления продолжает усиливаться и при дальнейшем увеличении ЛПЭ, достигая максимума при 200—300 кэВ/мкм. Видно, что степень различий абсолютных величин ОБЭ в зависимости от изучаемой реакции меняется при сравнении на разных уровнях ЛПЭ.
Весьма важна и практически значима зависимость ОБЭ от дозы и ее распределения во времени. Зависимость от дозы видна, например, на рис. 10.3 кривые 1,2и 3отражают соответственно 80,
151
ЛПЭ, кэВ/мкмЛПЭ, кэВ/мкмРис. 10.5. Зависимость ОБЭ отрегистрируемой реакции и отЛПЭ при облучении культурыфибробластов ядрами Не, С, Ои Аг с энергией 10 МэВ/нуклон(по Л. Скарсгарду, 1965):
ЛПЭ, кэВ/мкм
ЛПЭ, кэВ/мкм
1 — задержка деления; 2 — выживаемость
10 и 1 % выживаемости клеток человека. Видно, что абсолютная величина ОБЭ не является постоянной, а зависит от степени поражения, снижаясь с ее увеличением. В данном случае при 80—90%-х уровнях выживаемости клеток почки человека ОБЭ составляет около 8, а при 10—1%-й выживаемости — около 3.
На рис. 10.6 изображены типичные кривые выживания клеток млекопитающих после рентгеновского и нейтронного облучения. При однократном облучении (см. рис. 10.6, о) кривая, характеризующая действие рентгеновских лучей, имеет в начальном отрезке большое плечо, которое почти отсутствует на кривой, отражающей результат нейтронного облучения. Последняя, однако, имеет несколько более крутой наклон конечного участка. В результате ОБЭ оказывается максимальной (3,0) при меньших дозах (в зоне плеча) и уменьшается с ростом дозы до 1,5.
При фракционированном облучении, например четырехкратном (см. рис. 10.6, 6), ОБЭ также растет по мере увеличения числа фракций. Это происходит потому, что при дроблении дозы рентгеновского излучения каждый раз жизнеспособность клеток частично восстанавливается, что почти не наблюдается при фракционированном облучении быстрыми нейтронами. В процессе увеличения числа фракций такая утрата эффективной дозы рентгеновского излучения нарастает. В результате при фракционированном воздействии нейтронами и рентгеновским излучением дозовые различия в эффектах выражены в значительно большей степени, чем при однократном.
Сравнение доз, снижающих выживание до уровня 0,01 от исходной (см. рис. 10.6, а и б), позволяет заметить, что ОБЭ нейтронов при однократном облучении составляет 1,5, а при фракционированном — 2,6. Иными словами, один и тот же эффект может быть достигнут при фракционированном облучении нейтронами в 152
Рис. 10.6. Зависимость ОБЭ быстрых нейтронов от дозы излучения (по Э. Холлу, 1971): а — при однократном облучении; б— при фракционированном облучении (объяснение см. в тексте)Рис. 10.6. Зависимость ОБЭ быстрых нейтронов от дозы излучения (по Э. Холлу, 1971): а — при однократном облучении; б— при фракционированном облучении (объяснение см. в тексте)
Рис. 10.6. Зависимость ОБЭ быстрых нейтронов от дозы излучения (по Э. Холлу, 1971): а — при однократном облучении; б— при фракционированном облучении (объяснение см. в тексте)
Рис. 10.6. Зависимость ОБЭ быстрых нейтронов от дозы излучения (по Э. Холлу, 1971): а — при однократном облучении; б— при фракционированном облучении (объяснение см. в тексте)
относительно меньших суммарных дозах (по сравнению с суммарной дозой рентгеновского излучения), чем при однократном облучении. Это явление используют при терапии опухолей нейтрона
ми и другими тяжелыми ядерными частицами, характеризующимися большой Л ПЭ (см. гл. 21).
Зависимость ОБЭ от распределения дозы во времени может
Рис. 10.7. Изменение ККУ и ОБЭ как функции ЛПЭ. Данные получены Г. Ба- рендсеном (1972) при облучении клеток почки человека линии Т1 а-частицами или ускоренными дейтронамиРис. 10.7. Изменение ККУ и ОБЭ как функции ЛПЭ. Данные получены Г. Ба- рендсеном (1972) при облучении клеток почки человека линии Т1 а-частицами или ускоренными дейтронамибыть выявлена не только при фракционированном облучении, но и при изменении мощности дозы. Так, в лаборатории Г. Ивенса в опытах на традесканции было показано, что быстрые нейтроны при пролонгированном облучении в течение нескольких минут в 10 раз эффективнее индуцировали выход хромосомных аберраций, чем у-излучение. При пролонгированном облуче-
Рис. 10.7. Изменение ККУ и ОБЭ как функции ЛПЭ. Данные получены Г. Ба- рендсеном (1972) при облучении клеток почки человека линии Т1 а-частицами или ускоренными дейтронами
Рис. 10.7. Изменение ККУ и ОБЭ как функции ЛПЭ. Данные получены Г. Ба- рендсеном (1972) при облучении клеток почки человека линии Т1 а-частицами или ускоренными дейтронами
нии в той же суммарной дозе, но продолжавшемся 49 ч, ОБЭ достигала 80.
ОБЭ плотноионизирующих излучений повышается в условиях дефицита кислорода, благодаря устранению защитного действия гипоксического фактора с ростом ЛПЭ (рис. 10.7), что может быть использовано в лучевой терапии опухолей, характеризующихся наличием гипоксических зон. Это было отчетливо продемонстрировано цитогенетическими экспериментами А. Конжера и Г. Ивенса, показавшими на разных объектах, что ОБЭ быстрых нейтронов, оцененная по аберрациям хромосом в клетках асцитной карциномы Эрлиха и по образованию микроядер в клетках конских бобов, составила в аэробных условиях соответственно 2,5 и 10,5, а в анаэробных — 6 и 18.
Границы применения концепции ОБЭ
Из вышесказанного следует, что ОБЭ зависит от многих факторов и ее абсолютная величина для того или иного вида излучения может быть различной в разных условиях воздействия, а также в зависимости от оцениваемого эффекта. Наиболее сильно ОБЭ зависит от Л ПЭ, а так как Л ПЭ тесно связана с проникающей способностью ионизирующих излучений, то корректная оценка ОБЭ может быть выполнена лишь с учетом особенностей распределения дозы в облучаемом объекте. Если это обязательное требование не выполняется, неизбежна неправильная интерпретация результатов.
В качестве примера можно привести опубликованные в свое время материалы, послужившие основанием для ошибочного заключения о наличии некоторых специфических качественных особенностей воздействия определенных видов радиации. Из нижеприведенной таблицы, в которой представлены эти данные, можно сделать неправильный вывод о различиях в радиочувствительности мышей и крыс в зависимости от вида излучения. Между тем причина такого наблюдения состоит в том, что при одностороннем рентгеновском облучении (как это происходило в данном случае) распределение энергии в теле мыши значительно более равномерно, чем у крысы, в костном мозге которой величина поглощенной дозы из-за этого относительно ниже. При у-облучении большая проникающая способность у-квантов нивелирует неоднородность распределения энергии, которую не учитывали должным образом при дозиметрии.
ОБЭ для животных разных видов
Животные
ЛД^„ Гр
Рентгеновское излучение, 180 кВ
у-излучение “Со, 1,2 МэВ
ОБЭ у-излучения
Мыши
6,0
7,5
0,8
Крысы
7,5
6,5
1,1
Наиболее точная оценка ОБЭ и ее зависимость от ЛПЭ могут быть получены лишь в случае, когда в качестве объекта изучения используют изолированные клетки или другие мелкие объекты, в которых энергия излучения распределяется равномерно по всему объему.
Результаты многочисленных экспериментов, проведенных на более крупных животных, с очевидностью показали, что вычисление коэффициентов ОБЭ в большинстве случаев вообще теряет смысл, так как не может быть обеспечена адекватность условий опытов и прежде всего равномерность распределения поглощенных доз в тканях от разных видов излучений. Весьма показательны результаты исследований С. Риксфорда-Вильха, изучавшего последствия локального облучения глаза обезьян протонами 14, 40, 187 и 730 МэВ в диапазоне доз 1,25—40 Гр. Протоны 14 и 40 МэВ поглощаются соответственно в передней камере глаза и в стекловидном теле, протоны больших энергий проникают в головной мозг. Такой характер распределения поглощенной дозы обусловил и соответствующую клиническую картину поражения по ходу пучка: эритему кожи век, иридоциклит, кератит, эпиляцию, катаракту, повреждение вещества мозга.
В подобных случаях отношение доз, вызывающих одинаковое действие, правильнее называть не ОБЭ, а отношением равных эффектов, независимо от механизма их образования.
Комитет по ОБЭ Международной комиссии по радиологическим единицам и измерениям предложил оставить концепцию ОБЭ только в случаях, когда могут быть строго учтены все условия эксперимента, а различия в биологическом действии сравниваемых видов излучения определяются лишь свойствами последних. Во всех остальных случаях знание величины поглощенной дозы еще недостаточно для точного предсказания ни степени тяжести, ни вероятности возникновения эффектов поражения. Поэтому Для целей радиационной защиты введены два другие понятия: эквивалентная доза и эффективная доза, которые лучше коррелиру-
ют с возможными неблагоприятными последствиями профессионального облучения. Эквивалентная доза — это доза излучения, поглощенная в органе или ткани и умноженная на взвешивающий коэффициент для данного вида излучения. Эффективная доза — эквивалентная доза, умноженная на взвешивающий коэффициент, характеризующий значимость облучения того или иного органа или ткани в развитии отдаленных последствий облучения. Эти вопросы детально рассматриваются в третьей части книги (см. гл. 24.), там же даны численные величины взвешивающих коэффициентов для разных видов излучения и разных тканей. Единицей как эквивалентной, так и эффективной дозы является зиверт.
Например, при воздействии на организм 1 Гр у-излучения эквивалентная доза будет равна 1 Зв, так как взвешивающий коэффициент для фотонов любой энергии равен 1. Но при облучении организма нейтронами с энергией от 2 до 20 МэВ в дозе 1 Гр эквивалентная доза будет равна уже не 1, а 10 Зв, так как взвешивающий коэффициент для нейтронов такой энергии равен 10.
РЕЗЮМЕ
ОБЭ ионизирующих излучений оценивают из отношений доз, вызывающих равные биологические эффекты: DJDr, где г — изучаемое излучение; х — стандартное, за которое ранее (и официально в настоящее время) принимали рентгеновское излучение, генерируемое при напряжении 180—250 кВ, а теперь чаще всего принимается у-излучение.
ОБЭ в первую очередь зависит от ЛПЭ; ОБЭ увеличивается с ростом ЛПЭ, достигая максимума при 100 кэВ/мкм, когда регистрируется наибольший эффект на единицу поглощенной дозы. С дальнейшим ростом ЛПЭ ОБЭ уменьшается из-за «пе- репоражения», при котором часть энергии, подведенной к чувствительным мишеням, расходуется «вхолостую» из-за ее избыточности для поражения находящейся в микрообъеме мишени.
Кроме ЛПЭ, на ОБЭ влияют и другие факторы: величина дозы, число фракций, мощность дозы, особенности тестируемой биологической системы, в частности, критерий оценки.
По сравнению с однократным воздействием при пролонгированном или фракционированном облучении ОБЭ плот- ноионизирующих излучений относительно редкоионизирую- щих значительно увеличивается, благодаря характерным для 156
последних процессов восстановления, облегчающихся при пролонгировании или фракционировании облучения.
Эквивалентная доза — поглощенная доза, умноженная на взвешивающий коэффициент для данного вида излучения.
Эффективная доза — эквивалентная доза, умноженная на взвешивающий коэффициент, характеризующий роль облучения определенного органа или ткани в развитии отдаленных последствий лучевого воздействия.
П
Г Л А В A
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Разгадка основного радиобиологического парадокса — критерий правильности теории
Количественные и качественные подходы к проблеме Классический формализм — теория мишени и принцип попаданий
Радиационная гибель как вероятностная категория Новые явления и судьба гипотез
Стохастический механизм реализации принципа попадания — теоретическая основа биологического действия ионизирующих излучений
При описании основных вех формирования радиобиологии, как и для развития других научных дисциплин, видна традиционная зависимость возникновения и судьбы гипотез от возможности интерпретации основополагающих экспериментальных фактов.
За более чем столетний период существования радиобиологии как самостоятельной научной дисциплины возникало несколько попыток теоретического осмысления механизмов биологического действия ионизирующих излучений. Если не вдаваться в детали, судьба предпринимаемых попыток зависела от их способности объяснить основной радиобиологический парадокс, состоящий, как упоминалось выше, в несоответствии между ничтожным количеством поглощенной энергии излучения и возникающим при этом экстремальным эффектом.
Все предпринятые попытки такого рода можно условно объединить в два направления.
Одно из них, исторически более раннее, состоит в стремлении установить наиболее общие, принципиальные, элементарные, как правило, феноменологические (даже формальные), но обязательно количественные закономерности, связанные с начальными звеньями лучевого поражения клетки. Эти представления вошли в историю под терминами классический формализм, или классицизм. 158
Они претерпели дальнейшее развитие в последние десятилетия XX в. и получили признание как количественнаярадиобиология.
Другая группа объединяет представления, стремящиеся описать и обязательно объяснить самые разнообразные лучевые реакции на всех уровнях биологической организации, часто пренебрегая количественными параметрами; отсюда — их качественный характер. Они детально в критическом аспекте рассматривались в прошлых изданиях учебника и, как показало время, сегодня потеряли свое значение.
Поэтому далее будут рассмотрены лишь количественные представления, наиболее полно удовлетворяющие возможности объяснения радиобиологического парадокса:
— классическая теория мишени и принцип попадания;
— стохастическая теория, которую можно рассматривать как логическую ступень в развитии классицизма.
Принцип попадания и теория мишени
В стремлении объяснить радиобиологический парадокс уже на заре радиобиологии были сформулированы два принципа, лежащие в основе так называемой теории мишени.
Первый из них — принцип попаданий — характеризует особенности действующего агента — дискретность поглощения энергии и вероятностный характер «попадания»;
второй — принцип мишени — характеризует важную особенность облучаемого объекта — клетки, ее высокую структурированность и гетерогенность в морфологическом и функциональном отношениях.
Сочетание обоих принципов с позиций классического формализма и определяет характер ответа на облучение, который зависит от вероятности попадания в те или иные, резко различающиеся по функциональной значимости внутриклеточные структуры.
История количественной радиобиологии восходит к началу 20-х годов прошлого столетия, когда Ф. Дессауэр сделал весьма важное обобщение, распространив известные к тому времени физические закономерности взаимодействия излучения с веществом на биологические объекты. Он предположил, что большой биологический эффект при ничтожном суммарном поглощении энергии объясняется тем, что она концентрируется в крайне малых объемах, приводя их к микролокальному разогреву; отсюда и название предложенной им гипотезы — гипотеза точечного тепла.
Учитывая наличие в клетке более важных и менее существенных для жизни структур и микрообъемов, а также случайное распределение «точечного тепла», Ф. Дессауэр пришел к выводу о том, что исход клеточной реакции зависит от вероятности случайных попаданий дискретных порций энергии именно в эти жизненно важные микрообъемы — мишени. Наблюдая за количественными закономерностями радиобиологических реакций, он предположил, что они осуществляются лишь в том случае, если в клетке произошло определенное число «попаданий» в мишень.
Действительно, если при анализе зависимости эффекта от дозы принять в качестве регистрируемой реакции долю пораженных объектов, то легко обнаружить две специфические черты действия ионизирующих излучений.
Большинство клеточных реакций протекает практически при отсутствии порога, с нарастанием эффекта при увеличении дозы, что трудно объяснить изменением индивидуальной чувствительности, так как требует допущения ее невероятно высокой вариабельности.
С повышением дозы кривые выживания отражают не столько степень проявления эффекта у отдельных клеток, сколько увеличение количества (доли) пораженных единиц, т. е. возрастание вероятности проявления регистрируемой реакции.
Иными словами, летальный эффект ионизирующих излучений имеет вероятностный характер вследствие случайного распределения элементарных актов первичного взаимодействия частиц с чувствительными объемами облученных объектов. В этом и состоит принципиальное значение первоначальных взглядов, хотя само понятие «точечного тепла» и потеряло свое первоначальное значение.
Принцип попадания и теория мишени получили дальнейшее развитие в трудах Д. Кроузера, Н. В. Тимофеева-Ресовского, К. Циммера, Д. Ли и др.
Важно иметь в виду, что использование основных положений теории мишени, по замыслу ее авторов, ограничивается строго определенной областью — анализом самых первичных элементарных радиационных событий. Это понятно даже из использованных терминов — «мишень» и «попадание». При рассмотрении радиобиологических эффектов на молекулярном и (или) клеточном уровнях термин «мишень» удобно использовать для формального обозначения того микрообъема, в котором должны произойти одна или несколько ионизаций (попаданий), приводящих к изучаемой реакции.
Н.В. Тимофеев-РесовскийН.В. Тимофеев-Ресовский
Н.В. Тимофеев-Ресовский
Н.В. Тимофеев-Ресовский
В зависимости от числа попаданий, необходимых для поражения, различают одно-, дву- или многоударные объекты или реакции, причем учитываются попадания в одну или разные мишени, которые функционально связаны. Отсюда ясно, что попытки применения теории мишени для объяснения природы и этапов формирования конечных лучевых реакций клеток и тем более организмов неправомочны, так как при формулировании самих понятий попадания или мишеней не имеются в виду какие-то конкретные физико-химические или биохимические процессы, происходящие в микрообъеме.
Достоинством классического формализма в описании механизма клеточных эффектов ионизирующих излучений и, в частности, их летального действия, является простота объяснения основных экспериментальных данных количественной радиобиологии.
В первую очередь это относится к количественному описанию кривых выживания.
Весьма очевидно, что, исходя из принципов классической теории мишени, количество попаданий должно быть прямо пропорциональным дозе излучения. Поэтому в определенном диапазоне малых доз число пораженных мишеней строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества, в связи с чем зависимость эффекта от дозы имеет вид прямой линии (рис. 11.1, а). С повышением дозы излучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличивается, и хотя общее число попаданий остается пропорциональным дозе, их эффективность (на единицу дозы) уменьшается^ количество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптотически приближаясь к 100% (см. рис. 11.1, 6). Иначе говоря, количество жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы.
Интерпретация основных количественных параметров кривых выживания (см. гл. 7) поначалу исходила непосредственно из теории мишени. Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, вернемся с этих позиций к анализу кривых доза—эффект.
Рис. 11.1. Зависимость изменения эффекта от дозы излучения: а и б — соответственно при малых и больших дозах (по Д. Ли, 1963)
Рассмотрим определение основного параметра радиочувствительности — величину Do или D31 которую в теории мишени принято называть инактивирующей или среднелетальной (не путать с ЛД50!) дозой, на примере анализа одноударного поражения. В качестве такового подразумевают гибель облучаемого объекта от единичного эффективного попадания в мишень.
Тогда, если No — исходное число объектов, a N — число объектов, не пораженных излучением при дозе D, то выход из строя определенной доли объектов dN/N при приращении дозы dD выражается уравнением dN/N =—dD/D^, где Z>0 — доза, при которой на каждый объект в среднем приходится одно попадание (отсюда и наименование Do — среднелетальная доза). При интегрировании данного уравнения получаем:
ln(^/^0) = -D/D„; N = NoeWDl>',
где е — основание натуральных логарифмов.
В природе чаще встречается другой тип кривых, характерный для большинства клеток животного происхождения; примеры таких кривых были уже приведены ранее. В линейных координатах они имеют S-образную форму (рис. 11.2, а). В этих случаях говорят о многоударном процессе, имея в виду, что для инактивации объекта необходимо не одно, а два и более попаданий в единственную мишень или поражение двух мишеней и более, каждая из которых должна быть поражена.
При изображении таких кривых в полулогарифмическом масштабе (см. рис. 11.2, 6) они (см. гл. 7) приобретают плечо, переходящее в прямолинейный участок, наклон которого совпадаете на- 162
аДоза излучения, усл. ед. б
Рис. 11.2. Дозовые кривые выживания для объектов с различной ударностью мишени:
а — в обычном масштабе (S-образные, или сигмоидные, кривые; число ударов обозна-чено на кривых); б— в полулогарифмическом масштабе
клоном соответствующей одноударной кривой. При экстраполировании прямолинейного участка кривой к нулевой дозе на оси ординат отсекаются отрезки, соответствующие «ударности» мишеней (или их числу). Изображение многоударных кривых в полулогарифмическом масштабе позволяет достаточно точно оценить выживаемость при ее малых значениях (больших дозах) и легко определить экстраполяционное число, характеризующее число мишеней (ударов), поражение которых необходимо для инактивации клетки.
Главное достоинство классического формализма состоит в простом объяснении радиобиологического парадокса — экстремальный эффект, возникающий в клетке в результате поглощения ничтожной по величине энергии, происходит вследствие дискретного акта ее размена (попадания) в крошечном, но жизненно важном микрообъеме (мишени), например, в уникальной молекуле ДНК.
Нужно иметь в виду, что возможность применения теории мишени уже в самом начале была строго ограничена ее основоположниками [Ли Д., 1946] областью анализа одноударных эффектов. Интерпретация конкретных многоударных кривых с тех же позиций весьма затруднительна. Прежде всего это связано с многочисленными экспериментальными фактами изменения экстраполяционного числа при применении самых различных модифици-
рующих агентов или при разных условиях жизнедеятельности объектов, что с классических позиций само по себе не должно сказываться на числе мишеней. Кроме того, экстраполяционное число в ряде случаев достигает десятков и сотен единиц, что не позволяет отождествлять его с числом мишеней в клетке.
По мере развития экспериментального изучения репарации потенциальных повреждений, существование плеча на кривой выживания стали связывать со способностью клеток к пострадиационному восстановлению, а величиной плеча характеризовать их репарационную способность. Однако и в этом случае возникают большие трудности при попытках интерпретации, с позиций классической теории мишени, многих клеточных радиационных эффектов, обусловленных, например, изменением химизма клетки в результате радиолиза воды или метаболического взаимодействия различных клеточных органелл. Эта теория не касается природы мишеней, ответственных за гибель клетки. Между тем такими критическими мишенями могут быть уникальные макромолекулы, определенные участки мембран и другие структуры, для определения природы которых необходимо привлекать данные специальных методов исследования.
Именно эти обстоятельства уже в 40-х годах сделали очевидным необходимость строгого ограничения применения теории мишени только анализом одноударных эффектов.
Кроме того, по мере накопления новых фактов, не укладывавшихся в прокрустово ложе первоначального толкования принципа попадания и теории мишени, потребовалось расширить сами понятия «попадание» и его «объем». Стало известно, например, что первичные повреждения клеточных структур могут вызываться не только непосредственной их ионизацией, но и опосредованно — химически активными продуктами радиолиза окружающих малых молекул, прежде всего молекул воды. Уже давно установлены и факты миграции энергии по макромолекулам даже при непосредственных формах взаимодействия, вследствие чего реализация повреждения может происходить далеко от места первоначального попадания.
Все эти ограничения классической интерпретации принципа попадания и теории мишени в их первоначальном виде, наряду со справедливой, а главное, продуктивной критикой, подверглись необоснованному опорочиванию. При этом главные обвинения состояли в неспособности объяснения множества феноменов, регистрируемых на уровне организма, при игнорировании того факта, что подобные ограничения были с самого начала установлены 164
основоположниками классицизма, претендующего, как упоминалось, лишь на определенный круг первичных радиобиологических событий. При этом взамен были предложены несостоятельные, не выдержавшие проверку временем «теории», например, гипотезы первичных и вторичных радиотоксинов, цепных реакций и др., противоречащие кардинальным радиобиологическим феноменам и не позволяющие объяснить основной радиобиологический парадокс. Их критическое рассмотрение было проведено в третьем издании учебника.
Вместе с тем в 60-х годах была предложена система представлений, призванная, по определению ее авторов — О. Хуга и А. Кел- лерера, изложить «теорию попаданий на основе стохастического принципа».
Стохастическая теория
В основе теории мишени, как уже было сказано, лежало предположение о том, что характерные зависимости доза — эффект являются отражением квантованного характера взаимодействия излучения с веществом и наличия в клетках высокочувствительных объемов — мишеней.
При чрезвычайно массивных повреждениях конечный эффект действительно детерминирован уже на начальной стадии. Однако в большинстве ситуаций на более поздние звенья причинно-следственной цепи, ведущей к конечному эффекту, могут оказывать влияние другие случайные факторы. При этом каждому лабильному состоянию объекта соответствует определенная повышенная вероятность наступления регистрируемой реакции, возрастающая с увеличением предварительного повреждения. Таким образом, при формировании радиобиологического эффекта всегда существует суперпозиция множества случайных событий, что и учитывает стохастическое (вероятностное) рассмотрение вопроса.
При таком подходе любой биологический объект, в частности клетка, представляется в качестве лабильной динамической системы, которая постоянно находится в стадии перехода из одного состояния в другое. Вследствие крайней сложности системы, како-
вой является живая функционирующая клетка, любой такой переход связан с множеством комплексных и элементарных сопряженных реакций отдельных клеточных органелл и макромолекул. Естественно, что в процессе жизнедеятельности, благодаря влиянию самых разнообразных, не поддающихся учету факторов и малейших сдвигов в исходном состоянии, возникает вероятность «отказов» в элементарных звеньях, а вследствие этого — «крушения» всей системы. Поэтому любое критическое событие, например митоз или гибель клетки, можно предсказать лишь с известной вероятностью.
При облучении объекта на свойственную ему биологическую стохастичность накладывается стохастичность вследствие случайного характера взаимодействия излучения с веществом, что резко увеличивает вероятность «крушений» системы, происходящих и в необлученном контроле, хотя и со значительно меньшей частотой.
Стохастическая теория рассматривает различные возмущения биологической системы, возникающие в процессе жизнедеятельности или под влиянием облучения, с позиций теории вероятностей, стремясь описать их моделями, максимально соответствующими представлениям динамической биохимии и молекулярной радиобиологии. В этом случае мишенями являются все компоненты живой системы, а регистрируемая реакция обусловлена суперпозицией самых разных событий.
Существенно, что стохастическая теория учитывает как физиологические, так и индуцированные излучением процессы в их динамике, в то время как классическая теория мишени рассматривает эффекты, вызванные облучением, как строго детерминированные первичными актами абсорбции энергии.
Разработанный в рамках стохастической теории математический аппарат позволяет учесть не предусматривавшееся в рамках классических представлений взаимодействие ряда последовательных попаданий, а также влияние фактора времени, репарационных процессов, роль Л ПЭ и т.д. Все это может быть выражено системой дифференциальных уравнений, описывающих переход биологического объекта под влиянием облучения из одного состояния в другое. В принципе можно учесть и влияние любого модифицирующего фактора на соответствующие дозовые зависимости. Более того, этот аппарат может быть использован для анализа не только кинетических процессов на молекулярном уровне, но и морфологических стадий образования новой клетки, ее дифференцировки и др.
Конкретное описание предлагаемого аппарата выходит за рамки данного руководства. Отсылая интересующихся к монографии авторов, ограничимся лишь их заключительными замечаниями. «Дискретное изображение непрерывных физиологических процессов не является приближением, которое принимают только ради удобств, а становится необходимым при изучении различного поведения отдельных единиц популяции. Действие излучения на клетку свободно укладывается в эту общую схему, что также выражается в дискретных событиях. При этом не существенно, происходят ли соответствующие критические события в результате дискретных актов абсорбции энергии или в результате усиленной облучением лабильности, органически свойственной биологической системе. В этой схеме можно учесть даже такие сложные явления, как феномены обратной связи и механизмы регуляции» [Хуг О., Келлерер М., 1969].
Весьма важно заметить, что эффект, обусловленный попаданием в одну из уникальных структур клетки, приводящим ее к гибели, формально может быть описан как с классических позиций теории мишени, так и с позиций стохастической теории. Иными словами, выводы теории мишени можно рассматривать как частный случай стохастического подхода.
Столь же логичным и еще более убедительным остается объяснение радиобиологического парадокса, так как дополняется вероятностным случайным характером самого дискретного события размена энергии в критическом микрообъеме, что упрощает восприятие возникающего при этом любого экстремального эффекта.
Для обозначения клеточных повреждений, которые «нельзя отождествлять с локальными изменениями клеточных структур, прежде всего генетических, стохастическая теория вводит понятие «дисперсного начального повреждения». Природа такого повреждения весьма разнообразна: изменение клеточных мембран и других множественных структур, инактивация какой-либо жизненно важной системы и др.
Репаративные процессы, сказывающиеся на конечном эффекте, учитываются понятием компенсационной способности объекта. При анализе дозовых кривых с учетом функциональной лабильности биологических объектов стохастическая концепция приводит к пониманию того, что экспоненциальная кривая указывает на систему без компенсаторных механизмов, а сигмоидная — соответствует системам, обладающим такими механизмами, эффективность которых снижается при возрастании дозы излучения. Экстраполяционное число следует рассматривать как количествен- 167
ное выражение компенсационной способности облучаемого объекта, а не как «число мишеней».
Таким образом, сама по себе экспоненциальная зависимость эффекта от дозы далеко не предопределяет решение о наличии первичных одно- или многоударных реакций, а с полным основанием делает логичной и другую интерпретацию.
Итак, в соответствии с основными исходными позициями стохастическая концепция предлагает как бы более «биологическую» интерпретацию кривых доза — эффект по сравнению с их объяснением с позиций теории мишени, хотя основное положение последней о том, что эти кривые определяются в основном случайной природой абсорбции энергии, остается незыблемым.
Подводя итоги изложения обеих концепций — классической теории мишени и стохастической теории, необходимо прежде всего подчеркнуть их основное общее свойство — строго количественный подход. Более того, стохастическую теорию следует рассматривать как логическое развитие и дополнение классических представлений, которые и не претендовали на объяснение всего многообразия радиобиологических феноменов, тем более что многие из них стали известны в последующие годы.
Вполне естественно, что первоначальные гипотезы исходили из упрощенных представлений о механизме первичных радиобиологических процессов на основе чисто физических, а позднее радиационно-химических закономерностей, установленных при облучении простых систем. Однако именно эти простые, общие и формальные схемы впервые перевели радиобиологию с описательных позиций на прочную количественную основу. Круг возможного применения первоначальных представлений был очерчен еще при их формировании, и в этом плане были получены наиболее значительные результаты. Дальнейшее накопление новых фактов потребовало развития более широких подходов.
Нельзя не заметить, что при этом остались незыблемыми оба определяющих фактора классической теории мишеней — дискретность воздействия радиационного агента и функциональная не- гомогенность биологического объекта. Существенно, однако, что если в теории мишеней последняя определяется наличием фиксированных мишеней, поражение которых уже определяет конечный эффект, то в системе новых представлений показана несостоятельность такой точки зрения, взамен которой развита идея определяющей роли стохастической природы физиологических процессов и их радиационных нарушений.
Стохастическая теория учитывает современные данные о микрораспределении энергии, вариабельности радиочувствительности биологических объектов, а также роль репарационных процессов. Тем самым она значительно расширяет круг явлений, которые можно интерпретировать с новых позиций. Она более «биологич- на» по своей природе, так как устанавливает связи с конкретными морфологическими и функциональными разделами цитологии и физиологии. Ее положения поэтому могут быть использованы при интерпретации радиобиологических эффектов на любом уровне биологической организации, включая организм. При этом сохраняют принципиальное значение основные количественные принципы классических представлений, хотя оба составляющие их понятия — попадание и мишень — приобретают расширительное толкование, поскольку в каждом конкретном случае критическими могут быть отдельные стадии клеточного цикла, разные виды клеток, тканей, органы и системы. Соответственно оказывается возможным расширительное объяснение радиобиологического парадокса на уровне организма. Достаточно иметь в виду, что общее поглощение организмом ничтожного количества энергии (см. рис. 1.1) происходит в виде дискретных актов огромных порций ее размена в микрообъеме клеток жизненно важных критических органов. Выход из строя определенного количества таких клеток оказывается несовместимым с жизнью (см. гл. 12).
РЕЗЮМЕ
Современные теоретические представления о биологическом действии ионизирующих излучений можно свести к стохастическому механизму реализации теории мишени и принципа попаданий, но с расширительной биологической интерпретацией объема попадания и событий, происходящих как во время размена энергии, так и в ближайшее время после него, в том числе процессов репарации. .
С учетом новых данных молекулярной и клеточной радиобиологии, удается непротиворечиво объяснить все многообразие радиобиологических эффектов и их модификацию на разных уровнях биологической организации — от клетки до организма, а также зависимость эффектов от условий радиационного воздействия — качества излучения, величины дозы и ее распределения во времени.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ПЕРВОЙ ЧАСТИ
Заканчивая изложение вопросов общей радиобиологии, следует заметить, что полученная читателем информация о многогранности проявлений радиобиологического эффекта необходима при изучении любого частного раздела радиобиологии, в том числе радиобиологии организма и радиационной безопасности, которым посвящены остальные разделы книги. При этом для правильной их интерпретации необходимо уже из рассмотренных материалов сделать несколько принципиальных выводов, составляющих фундаментальные основы радиобиологии.
Критической мишенью радиационного поражения клетки является ДНК.
Радиационные поражения клетки могут быть обратимыми благодаря ферментативной репарации ДНК, которая проявляется как восстановление от сублетальных и потенциальнолетальных поражений.
Радиационное повреждение клетки может быть как ослаблено, так и усилено с помощью различных модифицирующих агентов. Универсальным радиомодифицирующим агентом является кислород.
Проявления радиобиологических эффектов строго связаны с дозой излучения. В подавляющем большинстве случаев с ростом дозы поражение усиливается. Отдельные наблюдения об отклонении от этого правила у единичных объектов в ограниченном диапазоне малых доз лишь подтверждают его справедливость.
По мере пролонгирования радиационного воздействия во времени путем снижения мощности дозы или ее фракционирования, эффективность облучения уменьшается благодаря более полной реализации восстановительных процессов.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
РАДИОБИОЛОГИЯ ОРГАНИЗМА
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ТКАНЕЙ, ОРГАНОВ, ОРГАНИЗМА
РАДИАЦИОННЫЕ СИНДРОМЫ
НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ (ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ) ЭФФЕКТЫВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛУЧЕННОМ ОРГАНИЗМЕ
ЛУЧЕВАЯ БОЛЕЗНЬ ЧЕЛОВЕКА
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИНКОРПОРИРОВАННЫХРАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
ОПОСРЕДОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ ОБЛУЧЕНИЯ. ИЗМЕНЕНИЯ В
НЕКРИТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ. НАРУШЕНИЯ ИММУНИТЕТА
ОТДАЛЕННЫЕ (СТОХАСТИЧЕСКИЕ) ПОСЛЕДСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ
ПОСЛЕДСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ЭМБРИОНА И ПЛОДА
ФАРМАКОХИМИЧЕСКАЯ ПРОТИВОЛУЧЕВАЯ ЗАЩИТА ОРГАНИЗМА.
РАДИОПРОТЕКТОРЫ
КОМБИНИРОВАННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИС ДРУГИМИ АГЕНТАМИ
ЛЕЧЕБНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Вторая часть учебника посвящена радиобиологии организма, которая отражает многообразие тканевых и системных реакций, проявляющихся непосредственно и вскоре после облучения, а также в отдаленный период. Такое многообразие определяется условиями радиационного воздействия — видом излучения, величиной и мощностью дозы, распределением ее во времени и в облучаемом объеме, возрастом (включая период эмбрионального развития) и физиологическим состоянием организма и, наконец, возможным влиянием факторов внешней среды. Рассмотрение этих вопросов проводится с клеточно-кинетических позиций, учитывающих процессы, происходящие в результате облучения в основных системах клеточного обновления.
Радиобиология организма млекопитающих наиболее актуальна в практическом аспекте. Большое внимание здесь уделяется прикладным сторонам предмета, в частности, современным методам профилактики и терапии лучевых поражений, а также научным основам медицинского применения ионизирующих излучений, главным образом, при лучевой и комплексной терапии злокачественных новообразований и частично при лучевой диагностике самых различных заболеваний
П
Г Д А В A
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ТКАНЕЙ, ОРГАНОВ, ОРГАНИЗМА.
ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ
Ступенчатый характер отмирания объектов как следствие лучевого поражения жизненно важных систем организма Критические ткани и органы
Основные радиационные синдромы при общем облучении Системы клеточного обновления
Кинетика клеточных популяций и ее нарушение при облучении — ключ к пониманию развития лучевого поражения организма
Особенности лучевых реакций мало обновляющихся тканей Относительность понятия тканевой радиочувствительности Радиочувствительность организма млекопитающих и способы ее оценки
Ранние и поздние детерминированные эффекты Квазидетерминированные эффекты облучения
Нам предстоит разобраться в сложной картине лучевого поражения организма, многообразие которой определяется особым свойством ионизирующих излучений, не присущим ни одному другому агенту внешней среды. Речь идет об их проникающей способности (отсюда и название — проникающая радиация). В результате общего (тотального) облучения ни один участок организма не остается интактным от радиационного воздействия. Это определяет одновременно и своеобразие, и многообразие форм непосредственных и отдаленных последствий облучения.
Закономерности поражения организма определяются двумя факторами:
радиочувствительностью отдельных тканей, органов и систем, в том числе и критических, — ответственных за выживание организма;
величиной поглощенной дозы излучения и ее распределением в облучаемом объеме и во времени.
Каждый в отдельности и в сочетании друг с другом эти факторы определяют преимущественный тип лучевых реакций (местные или общие), специфику и время проявления (непосредственно по-
173
еле облучения, вскоре после него или в отдаленные сроки) и их значимость для организма (преходящие или летальные).
При переходе от изолированной клетки к ткани, органу и организму все проявления радиационных эффектов усложняются. Это происходит потому, что не все клетки поражаются в равной степени, а тканевой эффект не равен сумме клеточных эффектов; следовательно, ткани, а тем более органы и системы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток.
Клетки, находясь в составе ткани, в значительной степени зависимы и друг от друга, и от окружающей среды. Митотическая активность, степень дифференцировки, уровень и особенности метаболизма, а также другие физиологические параметры отдельных клеток не безразличны для их непосредственных «соседей», а следовательно, и для всей популяции в целом. Общеизвестно, например, что заживление раны происходит вследствие временного ускорения размножения оставшихся клеток, обеспечивающего рост ткани и замещение вызванных травмой тканевых утрат, после чего темп клеточного деления нормализуется. В механизме испытываемых клетками стимулирующих или ингибирующих влияний принимают участие не только локальные факторы, но и регулирующие системы, поддерживающие состояние гомеостаза в организме. Те же процессы играют важную роль в реализации тканевых и системных реакций на облучение. Кроме того, на тканевую радиочувствительность оказывают большое влияние и другие факторы, например, степень кровоснабжения и величина облучаемого объема.
Таким образом, радиочувствительность ткани нельзя рассматривать только с позиций составляющих ее клеток без учета морфофизиологических факторов прежде всего клеточного окружения. Например, радиочувствительность эритробластов зависит от места их нахождения в организме — в селезенке или в костном мозге. Различается радиочувствительность одной и той же опухоли, привитой в разные ткани, и ее метастазов, в зависимости от их локализации. Все это усложняет оценку радиочувствительности тканей, органов и целого организма, но не отвергает принципиальное и ведущее значение цитокинетических параметров, определяющих тип и выраженность лучевых реакций на всех уровнях биологической организации.
Самый типичный пример радиационного поражения организма животных и человека — острая лучевая болезнь (см. гл. 14), возникающая после тотального однократного внешнего равномерного облучения. В этом случае одновременно и практически в одинако- 174
вой дозе подвергаются радиационному воздействию все системы, органы, ткани и клетки.
Наилучшее понимание основных проявлений лучевого поражения организма может быть достигнуто сопоставлением их с поглощенной дозой в так называемых «критических органах». Под критическими органами понимают жизненно важные органы или системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз излучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения.
Таким образом, между величиной поглощенной дозы в организме и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость, определяемая различиями в радиочувствительности отдельных жизненно важных (критических) органов или систем.
Радиационные синдромы
Еще в 40-х годах прошлого столетия исследованиями Б. Раевского и Г. Квастлера было обнаружено, что в определенных диапазонах, несмотря на увеличение дозы, средние сроки гибели мышей не меняются. Соответствующая кривая, описывающая зависимость средней продолжительности жизни мышей от дозы излучения, состоит из трех участков (рис. 12.1). Начальный участок охватывает период от нескольких недель до нескольких дней и соответствует дозам до 10 Гр. Далее следует плато, где средняя продолжительность жизни не изменяется, несмотря на увеличение дозы от 10 до 100 Гр. На третьем участке показано, что при последующем увеличении дозы средняя продолжительность жизни снова резко укорачивается от нескольких дней до нескольких часов.
Рассмотренные участки кривой отражают три основные радиационные синдрома — костномозговой (кроветворный), желудочно-кишечный и церебральный, развивающиеся вследствие поражения и выхода из строя соответствующих критических систем организма — кроветворной, кишечника и ЦНС.
Такого рода ступенчатый характер отмирания, связанный с выходом из строя критических систем, обнаружен для млекопитающих разных видов. Существование такой же закономерности показано И.Б. Бычковской (1970) для земноводных (лягушек), насекомых (амбарных долгоносиков, бокоплавов, дрозофил) и червей.
Таким образом, ступенчатая зависимость времени наступления гибели самых разнообразных объектов от дозы, отражающая
Рис. 12.1. Зависимость средней продолжительности жизни мышей после однократного рентгеновского облучения от дозы (в логарифмическом масштабе) (по Б. Раевскому, 1954)Рис. 12.1. Зависимость средней продолжительности жизни мышей после однократного рентгеновского облучения от дозы (в логарифмическом масштабе) (по Б. Раевскому, 1954)многосистемность в реакции на облучение, — общебиологическая закономерность. Разрыв между дозами, начинающими вызывать определенные формы гибели, указывает на разницу в радиочувствительности отдельных систем по критерию поражения, не совместимого с жизнью.
Рис. 12.1. Зависимость средней продолжительности жизни мышей после однократного рентгеновского облучения от дозы (в логарифмическом масштабе) (по Б. Раевскому, 1954)
Рис. 12.1. Зависимость средней продолжительности жизни мышей после однократного рентгеновского облучения от дозы (в логарифмическом масштабе) (по Б. Раевскому, 1954)
Наличие плато на кривой (рис. 12.2) свидетельствует о том, что регистрируемое несовместимое с жизнью повреждение той или иной системы наступает по достижении определенного уровня поражения, т. е. имеет пороговый характер. Области перегиба кривой соответствуют дозам, при которых возможны те или другие формы гибели вследст
вие индивидуальных вариаций радиочувствительности смежныхвие индивидуальных вариаций радиочувствительности смежныхсистем.
вие индивидуальных вариаций радиочувствительности смежных
вие индивидуальных вариаций радиочувствительности смежных
Аналогичная зависимость средней продолжительности жизни от дозы излучения показана и для человека. На рис. 12.3 хорошо видны три области насыщения эффекта. Основываясь на клинической картине поражения, их связывают с теми же тремя патогенетическими механизмами поражения, приводящими организм к гибели. При дозах излучения, когда средняя продолжительность жизни не превышает 40 сут, на первый план выступает нарушение гемопоэза; при больших дозах (продолжительность жизни 8 сут) ведущими становятся проявления поражения кишечника, а при еще больших (> 30 Гр; продолжительность жизни — 2 сут и менее) развиваются церебральные симптомы.
Существование причинно-следственной связи между определенными синдромами и отдельными участками кривой следует из
Рис. 12.2. Зависимость сред-ней продолжительности жиз-ни млекопитающих от дозыизлучения (7) и ее отклоне-ния (2, 3), полученные раз-ными авторами на мышах,крысах, хомячках, морскихсвинках и обезьянах (по
В. Бонду и др., 1971)
строгой воспроизводимости симптоматологии и средней продолжительности жизни в соответствующих диапазонах доз, а также из результатов специальных экспериментов по локальному облучению организма, экранированию (защите от воздействия излучения, например, свинцом) отдельных участков критических систем или использованию трансплантации кроветворных тканей.
Если экранировать небольшой сегмент активного костного мозга (у мышей можно и выведенную наружу селезенку) или пересадить смертельно облученным животным костный мозг интактных доноров, то можно полностью предотвратить или снизить процент гибели при дозах до 10 Гр (см. гл. 18, 19). Это свидетельствует, что гибель животных в этом диапазоне доз излучения преимущественно вызвана поражением систем кроветворения.
Рис. 12.3. Зависимость среднейпродолжительности жизни человекаи обезьян от дозы излучения (влогарифмическом масштабе по ос-нованию 2) (по Р. Аллену и др.,1960)
О кишечном механизме смерти в следующем диапазоне доз свидетельствует гибель мышей в одни и те же сроки (3—5 сут), с одинаковой картиной поражения независимо от того, подвергались ли они общему или локальному облучению (при одинаковых дозах) выведенного наружу кишечника.
Наконец, при локальном облучении головы в дозах, превышающих 150 Гр, гибель наблюдается в первые сутки или часы (в зависимости от дозы) и сопровождается судорогами, что указывает на поражение ЦНС. При дозах 1000 Гр и более смерть наступает мгновенно («смерть под лучом») вследствие денатурационной дезактивации клеток — «молекулярная гибель».
Для понимания причин столь четко выраженной зависимости проявлений отдельных синдромов от дозы излучения необходимо познакомиться с кинетикой клеточных популяций соответствующих критических систем. Состояние устойчивого динамического равновесия любой клеточной популяции в живом организме, необходимое для нормальной жизнедеятельности, поддерживается системами клеточного обновления; любая потеря клеток вследствие их гибели или миграции в таких системах количественно восполняется возникновением новых клеток, что обеспечивает сохранность функционирования системы. Клетки каждого типа имеют свойственную им продолжительность жизненного цикла и соответственно различаются темпом их обновления.
Таким образом, взрослый организм постоянно находится в состоянии строго сбалансированного клеточного самообновления, происходящего непрерывно в ряде его жизненно важных систем. Ежеминутно в каждой из них отмирают десятки и сотни тысяч «отслуживших» клеток, заменяясь новыми, заведомо готовыми «пожертвовать» собой через строго определенный срок — и так до конца жизни организма. Такое устойчивое равновесие в системах клеточного самообновления, являющееся необходимым условием надежности поддержания жизнеспособности организма, получило название клеточного гомеостаза.
Применительно к рассмотренным выше основным радиационным синдромам две из таких самообновляющихся систем (в основном определяющие выживание или гибель облучаемого организма) — кроветворная и желудочно-кишечная — характеризуются большой скоростью клеточного обновления. В третьей — ЦНС — у половозрелых животных и взрослого человека клеточного обновления практически не происходит.
Костный мозг — типичный пример системыклеточного обновления
Костный мозг обладает крайне высокой радиочувствительностью, в связи с чем поражение системы кроветворения всегда наблюдается в той или иной степени при общем облучении как его типичное проявление. Поэтому на примере костного мозга будут рассмотрены общие принципы функционирования самообновляющейся системы, которые в полной мере сохраняют свое значение для любой другой системы клеточного обновления.
Основное назначение костного мозга — продукция зрелых высокодифференцированных клеток крови. В нормальных условиях гибель или исчезновение каждого клеточного элемента в периферической крови или в другом участке организма компенсируется образованием в среднем одной клетки в костном мозге. По меткому выражению В. Бонда, костный мозг представляет собой «фабрику», производящую клетки, а периферическая кровь — «службу сбыта» организмом уже зрелых элементов.
На рис. 12.4 представлена упрощенная модель системы клеточного обновления применительно к миелопоэзу, состоящая, как и любая система клеточного обновления, из нескольких пулов. Прежде всего, это самоподдерживающийся фонд недифференциро-
Рис. 12.4. Модель системы клеточного обновления
(по В. Бонду и др., 1971):
время, указанное в нижней части рисунка, отражает порядок величин, характерных для гранулоцитопоэза млекопитающих, в том числе и человека
ванных предшественников — стволовых (клоногенных) клеток, способных обеспечить постоянную скорость клеточного обновления в системе. При делении стволовых клеток часть их потомства предназначается для последующей дифференциации в специфические клеточные линии, а оставшиеся служат новыми стволовыми клетками.
Пройдя одно или несколько делений, клетка постепенно дифференцируется, затем, утратив способность делиться, входит в непролиферирующий пул, где окончательно созревает и становится функционально полноценной. Ясно, что цитокинетика той или иной системы обновления предопределяется уровнем митотической активности и продолжительностью отдельных фаз клеточного цикла (см. гл. 8).
Общий принцип, обеспечивающий устойчивую работу любой системы клеточного обновления (имеется в виду поддержание ее в состоянии количественного и качественного динамического равновесия), состоит в том, что по мере отмирания и удаления зрелых клеток из функционального пула вместо каждой из них поступает новая, находящаяся в этот момент на стадии максимальной подготовленности. Таким образом, функционирующая система само- поддерживает себя из-за необходимости восполнения постоянно происходящих утрат, являющихся своеобразным стимулом к активации всех предшествующих пулов, в результате чего осуществляется перманентное клеточное обновление.
Под воздействием излучения в любой клеточной системе обновления происходят резкие нарушения динамического равновесия между отдельными пулами, приводящие к тяжелым функциональным расстройствам в самой системе, а в зависимости от ее значения для жизнедеятельности и к соответствующим последствиям в организме. Качественное представление о механизме этих нарушений следует из анализа реакций облученных клеток (см. гл. 7), закономерности которых в целом сохраняются и для тканевых систем в живом организме. Это — три типа основных радиобиологических реакций клеток, определяющие типичные нарушения в любой системе обновления.
Временное прекращение деления всех клеток независимо от того, какая из них выживет в последующем.
Гибель молодых, малодифференцированных и делящихся клеток.
Минимальные изменения продолжительности процесса клеточного созревания, а также времени жизни большинства зрелых клеток и скорости притока их в функциональный пул.
180
Время прохождения, сутВремя прохождения, сутПулы в нормальном состоянииПулы в нормальном состоянииСтволовые ~ клетки (?)2///Стволовые ~ клетки (?)2///Время послеИзменения после облучения облученияВремя послеИзменения после облучения облученияРис. 12.5. Эффекты, возникающие в системе клеточного обновления вследствие внезапного опустошения самых ранних пролиферирующих компонентов в результате облучения (по В. Бонду и др., 1971)Рис. 12.5. Эффекты, возникающие в системе клеточного обновления вследствие внезапного опустошения самых ранних пролиферирующих компонентов в результате облучения (по В. Бонду и др., 1971)
Время прохождения, сут
Время прохождения, сут
Пулы в нормальном состоянии
Пулы в нормальном состоянии
Стволовые ~ клетки (?)2///
Стволовые ~ клетки (?)2///
Время после
Изменения после облучения облучения
Время после
Изменения после облучения облучения
Рис. 12.5. Эффекты, возникающие в системе клеточного обновления вследствие внезапного опустошения самых ранних пролиферирующих компонентов в результате облучения (по В. Бонду и др., 1971)
Рис. 12.5. Эффекты, возникающие в системе клеточного обновления вследствие внезапного опустошения самых ранних пролиферирующих компонентов в результате облучения (по В. Бонду и др., 1971)
В результате совокупности этих реакций три первых пула начинают опустошаться сразу и в ближайшие дни после облучения, а число соответствующих зрелых функционирующих клеток уменьшается значительно позднее, когда их естественная убыль перестает восполняться из-за опустошения предшествующих пулов (рис. 12.5). Эта задержка определяется временем, необходимым клетке для прохождения пути от самых ранних стадий до выхода в функциональный пул. Количественные характеристики указанных нарушений определяются конкретными цитокинетическими параметрами той или иной системы обновления и дозой излучения.
На рис. 12.5 схематически показаны радиационные нарушения миелопоэзамыши, качественно аналогичные изменениям, происходящим в последовательно связанных пулах любой системы клеточного обновления (для случая, если опустошены более ранние
181
Рис. 12.6. Кривая выживаемости стволовых клеток костного мозга мыши (по В. Бонду, 1974)Рис. 12.6. Кривая выживаемости стволовых клеток костного мозга мыши (по В. Бонду, 1974)компартменты). С этих позиций проанализируем несколько подробнее радиационные изменения в системе кроветворения, так как именно с ними наиболее часто приходится встречаться на практике: при облучении в дозах до 10 Гр в организме развивается типичный костномозговой синдром.
Рис. 12.6. Кривая выживаемости стволовых клеток костного мозга мыши (по В. Бонду, 1974)
Рис. 12.6. Кривая выживаемости стволовых клеток костного мозга мыши (по В. Бонду, 1974)
Систему клеточного обновления костного мозга условно можно представить в виде двух подразделений, или компартментов: компартмента молодых и делящихся клеток (объединяющего три первых пула) и компартмента зрелых функциональных клеток периферической крови. Первый
компартмент можно сравнить с «фабрикой» клеток, второй — со «службой сбыта». В соответст
вии с правилом Бергонье и Трибонд о «фабрика» должна отличаться высокой радиочувствительностью, а «служба сбыта» — быть несравненно более резистентной. Кривая выживаемости стволовых клеток, изображенная на рис. 12.6, суммарно отражает выживае
мость всех кроветворных клеток, поскольку стволовые клетки являются родоначальниками миелоцитов, тромбоцитов и эритроцитов. Видно, что кривая выживаемости костного мозга мыши имеет маленькое плечо (свидетельство низких репаративных возможностей) и относительно крутой наклон (следствие высокой радиочувствительности), так что даже очень небольшие дозы излучения вдвое снижают число выживших клеток. При среднелетальной дозе (ЛД50/30)‘ для мышей (6—7 Гр) пролиферативную способность сохраняют всего 1—3 стволовые клетки на тысячу. В результате возникает серьезное повреждение «клеточной фабрики» при прак-
1 ЛДт/л принято обозначать дозы, при которых т — доля или % животных — гибнет в течение п суток после облучения.
182
Время после облучения, сутВремя после облучения, сутбРис. 12.7. Последовательность событий, происходящих в двух основных компартментах системы обновления кроветворных клеток мышей после об-бРис. 12.7. Последовательность событий, происходящих в двух основных компартментах системы обновления кроветворных клеток мышей после об-лучения в среднелетальных до-зах:а — в костном мозге; б — в пери-ферической крови.— ядросодержащие клетки:—лейкоциты (общее число);— лимфоциты; -/—нейтрофилы,5 - эритроцитылучения в среднелетальных до-зах:а — в костном мозге; б — в пери-ферической крови.— ядросодержащие клетки:—лейкоциты (общее число);— лимфоциты; -/—нейтрофилы,5 - эритроцитыфоузлах и в костном мозге (местах их образования), но и в перифефоузлах и в костном мозге (местах их образования), но и в периферической крови.рической крови.
Время после облучения, сут
Время после облучения, сут
б
Рис. 12.7. Последовательность событий, происходящих в двух основных компартментах системы обновления кроветворных клеток мышей после об-
б
Рис. 12.7. Последовательность событий, происходящих в двух основных компартментах системы обновления кроветворных клеток мышей после об-
лучения в среднелетальных до-зах:
а — в костном мозге; б — в пери-ферической крови.
— ядросодержащие клетки:
—лейкоциты (общее число);
— лимфоциты; -/—нейтрофилы,
5 - эритроциты
лучения в среднелетальных до-зах:
а — в костном мозге; б — в пери-ферической крови.
— ядросодержащие клетки:
—лейкоциты (общее число);
— лимфоциты; -/—нейтрофилы,
5 - эритроциты
фоузлах и в костном мозге (местах их образования), но и в перифе
фоузлах и в костном мозге (местах их образования), но и в перифе
рической крови.
рической крови.
тически ненарушенной «службе сбыта», что и приводит к событиям, схематически изображенным на рис. 12.7.
Как видно из рассмотрения рис. 12.7, опустошение костного мозга начинается тотчас после облучения и неуклонно продолжается, достигая минимума, что соответствует началу его регенерации у выживших особей (кривая 7). Характер изменений морфологического состава крови прежде всего зависит от времени жизни зрелых клеток или скорости их выбывания. Кривая 4для нейтрофилов отражает короткую продолжительность жизни этих клеток: она имеет относительно небольшой порог. Численность наиболее долго живущих (около 100 дней) эритроцитов уменьшается значительно медленнее (кривая 6), ибо даже при полном отсутствии продукции скорость уменьшения их численности составляет около 1%/сут. Промежуточный случай представлен
тромбоцитами (кривая 5). Отсутствие порога в случае изменения численности лимфоцитов (кривая 5) связано с их крайне высокой радиочувствительностью. Уже при небольших дозах лимфоциты погибают тотчас после облучения, причем не только в лим-
Снижение количества лимфоцитов само по себе не играет существенной роли в непосредственном исходе лучевой болезни, однако внимание к нему оправдано. Во-первых, с радиобиологических позиций кажется парадоксальной их высокая радиочувствительность, так как это противоречит общему правилу, если учесть, что лимфоциты считаются зрелыми элементами. Во-вторых, как следствие их крайне высокой радиочувствительности (при дозе 3—4 Гр погибает большинство лимфоцитов) лимфопения возникает уже при небольших дозах облучения и вскоре после него (с первых суток), а это является причиной иммунного дефицита, развивающегося после облучения (см. гл. 14).
Рис. 12.8. Изменение общего числа клеток костного мозга крысы после облучения в дозах 3—10 Гр, % от контроля
Основная причина катастрофического опустошения костного мозга, происходящего в самые ранние сроки после облучения, состоит в резком торможении процессов клеточного деления при продолжающемся с неизменной скоростью поступлении зрелых элементов на периферию.
Внешне парадоксален, но несомненен тот факт, что на кинетике клеточного опустошения не сказывается доля летально поврежденных клеток, увеличивающаяся с дозой излучения. Как показано в нашей лаборатории, скорость клеточного опустошения костного мозга мышей и крыс в первые сутки после облучения при всех дозах практически одинакова — как видно из рис. 12.8, она описывается одной экспонентой. Очевидно, вследствие сохранения скорости выхода клеток на периферию в их общем «потоке» вместе с жизнеспособными выходят в кровь и летально поврежденные клетки.
Опустошение «фабрики», отражающее, по существу, нормальную скорость выхода зрелой «продукции», сохраняет экспоненциальный характер лишь до начала регенерации. Наблюдающееся затем восстановление происходит с различной скоростью, обратной величине дозы (см. рис. 13.4 в гл. 13). Здесь-то и сказывается разная степень клеточной деструкции, определяющая глубину лейкопении, а следовательно, течение и исход лучевого поражения организма.
Рассмотренная схема дает лишь общее представление о цитокинетике изменений в обоих компартментах кроветворения на основе принципиальных механизмов саморегуляции, типичных для 184
Рис. 12.9. Число нейтрофилов периферической крови в разное время после облучения (по В. Бонду, 1974):
следует обратить внимание на начальный кратковременный подъем, быстрый спад, новый временный (абортивный) подъем, еще более быстрый спад и постепенное окончательное восстановление
систем клеточного обновления. В зависимости от облучаемого объекта и дозы излучения параметры кривых имеют свои количественные характеристики и некоторые качественные особенности.
Для примера на рис. 12.9 приведены изменения в наиболее ответственном звене — нейтрофилах — у подвергнутых тотальному облучению свиней. Кривую, отражающую наблюдения в течение 120 сут, можно разделить на три участка: 1) фазу дегенерации, характеризующуюся начальным кратковременным подъемом с последующим быстрым спадом; 2) фазу абортивного подъема с последующим еще более быстрым спадом; 3) фазу восстановления до исходного уровня.
Особенности фазы дегенерации связаны с рассмотренными выше радиобиологическими закономерностями. Размер начального участка определяется временем от последнего деления в пуле делящихся (созревающих) клеток костного мозга (см. рис. 12.5) до выхода зрелых элементов в периферическую кровь. Отсюда следует, что созревание клеток, оставшихся жизнеспособными (по крайней мере, при среднелетальных дозах), происходит с нормальной скоростью. Наклон экспоненциального участка кривой определяется временем исчезновения нормальных клеток из пе-
риферической крови, что совпадает с быстрым и почти полным прекращением поступления нормальных клеток из костного мозга вследствие его глубокого опустошения. Клетки, остающиеся в периферической крови, элиминируются с нормальной скоростью. С увеличением дозы излучения наклон этого участка кривой все более приближается к параметрам исчезновения из крови нормальных клеток; при меньших дозах небольшое количество клеток продолжает выходить на периферию, имея различные повреждения, так как они — потомки нелегально поврежденных, делящихся и созревающих элементов. Следовательно, в фазе дегенерации в крови находятся только поврежденные клетки.
Фаза абортивного подъема позволяет организму жить в течение более длительного времени, чем можно было бы ожидать. Механизм абортивного подъема еще неясен. Наиболее вероятно, что он связан с размножением в разной степени поврежденных радиацией клеток пролиферативного (усиливающего) пула, обладающих ограниченной способностью к самоподдержанию, и отчасти по- липотентных стволовых клеток. По степени повреждения клетки этих пулов могут полностью сохранить пролиферативную способность, иметь сниженные пролиферативные потенции или оказаться необратимо поврежденными. Абортивный подъем вероятнее всего обеспечивается клетками со сниженной пролиферативной способностью, продолжающими деление еще некоторое время. Лишь после того как ограниченный потенциал пролиферации этих клеток будет исчерпан (они сами и все их потомки погибнут), число зрелых элементов вновь снизится до минимального уровня. Окончательная регенерация в основном осуществляется клетками, сохранившими неизмененной пролиферативную способность. На рис. 12.10 схематически представлено изображение абортивного подъема и возможное объяснение этого феномена. Правильное понимание его механизмов весьма важно, ибо аналогичное явление встречается и при облучении других клеточных популяций. В частности, подобную природу имеет временно продолжающийся рост опухолей после облучения в дозах, вызывающих гибель практически всей клеточной массы (см. гл. 19).
Фаза восстановления обеспечивается лишь небольшим количеством стволовых клеток, сохранившихся в костном мозге после глубокого начального опустошения и обладающих способностью к неограниченному размножению. Они должны не только продуцировать увеличенное количество подобных себе элементов, необходимых для репопуляции костномозговых стволовых клеток, но и производить дифференцирующиеся клетки, предназначен- 186
Время после облучения, сут
Рис. 12.10. Объяснение абортивного подъема числа клеток
(по В. Бонду, 1971):
7 —отмирающие (сильно поврежденные) клетки, быстро исчезающие из системы; 2 —«поврежденные» клетки (некоторое время пролиферируют, но через несколько деленийвымирают и они, и их потомство); 3 — общее количество клеток; -/—выжившие клет-ки, способные пролиферировать неограниченно долго
ные для последующего созревания и поступления в кровь. Эти требования к небольшому числу оставшихся неповрежденными стволовых клеток объясняют причину задержки поступления зрелых элементов на периферию, несмотря на то, что в период резкой нейтропении в кровь поступает очень небольшое количество нейтрофилов. Только когда пул стволовых клеток существенно разовьется, ощутимая его часть может быть направлена на созревание. В результате в начале фазы восстановления число клеток крови увеличивается медленно, а затем скорость выхода зрелых клеток в кровь нарастает, достигая нормальной величины в период восстановления.
Качественно аналогичная цитокинетика, отличающаяся лишь временными параметрами, наблюдается и в системах обновления Других кроветворных ростков — эритроцитарного и тромбоцитарного.
Если учесть функциональную значимость клеточных потерь в системе кроветворения, становятся понятными причины гибели и сроки отмирания животных после облучения в дозах до 10 Гр. Как
187
было показано на рис. 12.1, гибель мышей в этих случаях наступает в период с 6—7 до 20—25 сут. Максимум летальности приходится на 10—12-е сут, что соответствует периоду резкой гранулоцитопе- нии, а несколько позднее и тромбоцитопении (см. рис. 12.7). Основными причинами летальных исходов в этих случаях являются инфекционные процессы и геморрагии. Животные, пережившие этот период, приобретают большие шансы на выживание, так как в соответствии со схемой, приведенной ранее на рис. 12.4, функциональный пул начинает быстро пополняться за счет пролиферации выживших клеток. Развивающаяся позднее (из-за длительного периода жизни эритроцитов; см. рис. 12.7) анемия на вероятность гибели мышей не оказывает существенного влияния.
У более крупных животных (см. рис. 12.9) отмеченные сроки несколько удлиняются в соответствии со свойственными им цито- кинетическими параметрами. Костномозговой синдром у человека описан в гл. 13.
Изменения в системе обновленияжелудочно-кишечного тракта
При анализе желудочно-кишечного синдрома следует иметь в виду, что у млекопитающих наиболее важные изменения после облучения происходят в тонком кишечнике. При этом наблюдается клеточное опустошение ворсинок и крипт кишечника. Протекающие здесь клеточно-кинетические процессы аналогичны рассмотренным для системы обновления костного мозга, но с другими количественными характеристиками, которые определяются параметрами, присущими нормальным клеточным популяциям кишечника того или иного вида животных.
Наиболее подробно эти вопросы изучены на мышах, у которых было установлено, что дегенеративная и регенеративная фазы более кратковременны, чем для костного мозга, и возникают при больших дозах. Причина этого явления состоит в более ускоренном прохождении клеток кишечных крипт по пулам до полностью дифференцированного состояния (для разных отделов тонкого кишечника мыши от 42 до 55 ч) и в большей радиорезистентности стволовых клеток кишечника (DQ = 4—6 Гр, по сравнению с Do для стволовых клеток костного мозга = 1 Гр). Кроме того, в радиационном поражении стволовых клеток эпителия кишечника большую роль играет апоптоз, в который они входят вскоре после облу- 188
Рис. 12.11. Потеря клетокиз крипт (й) и ворсинок (б)у обычных (7) и выращен-ных в стерильных условиях(2) мышей после общегорентгеновского облучения вдозе 30 Гр (по В. Бонду,1971)
чения. В результате опустошение крипт происходит на 1—2-е сут, а нулевой показатель на ворсинках достигается через 3—3,5 сут после облучения (рис. 12.11), т. е. в период, составляющий средний срок гибели животных при выраженных проявлениях желудочно-кишечного синдрома (см. рис. 12.1).
Здесь уместно, вернувшись к анализу причин абортивного подъема в случае гранулоцитопоэза, отметить, что временное существование клеток с грубыми аномалиями задерживает время опустошения функциональных компартментов. Если бы этого не происходило, то следовало ожидать наступления тяжелой формы болезни уже через 12 — 24 ч и гибель в результате полного обнажения ворсинок через 2—2,5 сут. Именно наличие грубо аномальных клеток оттягивает начало болезни (понос) до 2—2,5 сут, а гибель от полного оголения ворсинок — до 3,5—4 сут. Если облучение произведено в несколько меньших дозах, то у выживших животных происходит интенсивное восстановление клеток кишечника, полностью заканчивающееся к 5-м сут.
Такая быстрая регенерация связана с относительно меньшей радиочувствительностью стволовых клеток кишечника, благодаря чему их сохраняется значительно больше, чем стволовых клеток костного мозга. Тем не менее часть животных погибает. Причиной тому служит значительное поражение гемопоэза, роль которого в исходе лучевого поражения и при желудочно-кишечном синдроме весьма существенна, если учесть значение микробного фактора. Это подтверждается замедлением клеточного опустошения крипт и ворсинок у животных, выращенных в стерильных условиях (см. рис. 12.11), погибающих на 3—4 сут позднее, чем обычные животные, страдающие более резко выраженной нейтропенией. Кроме того, применение антибиотиков, экранирование или трансплантация костного мозга позволяют увеличивать дозу излучения, при-
водящую к кишечной гибели при облучении всего кишечника или какой-либо его части.
Таким образом, кишечный синдром включает такие определяющие летальный исход механизмы, как оголение ворсинок, инфекционные процессы, поражение кровеносных сосудов, нарушение баланса жидкостей и электролитов. Определить, какой из этих механизмов наиболее существен, трудно. Пример со стерильными животными свидетельствует о наличии тесной взаимосвязи между отдельными критическими системами клеточного обновления и, в частности, о большой роли миелопоэза в течении и исходе желудочно-кишечного синдрома.
Характер радиационных измененийцентральной нервной системы
Ответ ЦНС на облучение принципиально отличается от реакций костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь. Это явление обусловлено тем, что зрелая нервная ткань — непролиферирующая система, состоящая из высокодифференцированных клеток, замещение которых в течение жизни не происходит. Поэтому ЦНС можно рассматривать как крайний (стационарный) вариант системы клеточного обновления со всеми вытекающими отсюда последствиями, характерными для лучевых реакций ра- диорезистентных неделящихся клеток.
Гибель клеток, приводящая к церебральному синдрому, происходит, как упоминалось, при огромных дозах, порядка сотен грей (см. рис. 12.1), причем до сих пор не выяснено, является ли причиной гибели нервных клеток их непосредственное повреждение или она вызвана опосредованно повреждениями других систем, прежде всего кровеносных сосудов.
Радиочувствительность и лучевыереакции отдельных органов и тканей
Выше были рассмотрены основные радиационные синдромы и проанализирована цитокинетика поражений в критических системах клеточного обновления, из которых кроветворная система и кишечник — типичные примеры радиочувствительных тканей со свойственной им активностью физиологической пролиферации, а 190
ЦНС — яркий пример непролиферирующих высокодифференцированных радиорезистентных систем.
Проведенный анализ позволяет следующим образом связать изменения, происходящие на уровне клеточных популяций, с исходом остроголучевого поражения после тотального облучения. Общая реакция млекопитающих, как функция дозы и времени после облучения, определяется четырьмя кардинальными параметрами клеточных популяций: величиной пула стволовых клеток, радиочувствительностью клеток и способностью их к восстановлению, клеточной пролиферацией и длительностью функционирования зрелых элементов.
С этих же позиций достаточно надежно могут быть предсказаны события, которые произойдут при облучении различных областей тела, если известны клеточно-кинетические параметры облучаемых тканей, что весьма важно для оценки эффектов локального облучения, а также при планировании курса лучевой терапии опухолей и прогнозировании ее последствий. Далее коротко рассматриваются соответствующие данные для наиболее ответственных систем организма.
Кожа и ее производные. Это активно обновляющиеся, а потому весьма радиочувствительные клеточные системы. Стволовые клетки эпидермиса хорошо восстанавливают сублетальные повреждения (Dq для этих клеток ~ 5 Гр, в то время как для кроветворных клеток ~0,5 Гр).
Принято считать, что максимально переносимая кожей доза рентгеновского излучения при однократном внешнем воздействии составляет 10 Гр. При больших дозах возникают дерматиты, а затем и язвенные поражения.
Семенники. Высокая радиочувствительность мужских половых желез известна очень давно. Еще в 1903 г. Г. Альберс-Шонберг показал возможность радиационной стерилизации яичек кроликов и морских свинок, а И. Бергонье и Л. Трибондо, изучая радиационные повреждения семенников, смогли сформулировать упоминавшуюся выше зависимость радиочувствительности клеток от интенсивности деления и степени дифференцировки.
Источником самообновления зародышевых клеток при сперматогенезе служит размножение сперматогониев. Одни из них (тип 5), по аналогии со стволовыми клетками костного мозга, путем ряда последовательных актов деления и созревания служат родоначальниками функциональных клеток — сперматозоидов, другие (тип Л) — источником новых («стволовых») сперматогониев.
Вследствие крайне высокой радиочувствительности половых Клеток на ранних стадиях развития уже при дозах 0,5—1 Гр у боль-
191
Рис. 12.12. Изменение массы семенников крыс (о) и мышей (6) после у-облучения в дозе 2,5 Гр: 1 — необлученные (контроль),' 2—облученныеРис. 12.12. Изменение массы семенников крыс (о) и мышей (6) после у-облучения в дозе 2,5 Гр: 1 — необлученные (контроль),' 2—облученныеВремя после облучения, сут 5Время после облучения, сут 5
Рис. 12.12. Изменение массы семенников крыс (о) и мышей (6) после у-облучения в дозе 2,5 Гр: 1 — необлученные (контроль),' 2—облученные
Рис. 12.12. Изменение массы семенников крыс (о) и мышей (6) после у-облучения в дозе 2,5 Гр: 1 — необлученные (контроль),' 2—облученные
Время после облучения, сут 5
Время после облучения, сут 5
шинства животных происходит массивное клеточное опустошение семенников, а выше 2—4 Гр наступает стерильность. Зрелые клетки — сперматозоиды, напротив, крайне радиорезистентны.
В опытах на мышах, крысах и кроликах показано, что число сперматозоидов, их морфология, подвижность и способность к оплодотворению не меняются после облучения при дозах до 10 Гр. Поэтому плодовитость облученных млекопитающих сохраняется до тех пор, пока не истощится запас жизнеспособных зрелых половых клеток (по аналогии с костным мозгом и кишечником). Но и после этого наступающая стерильность носит временный характер, так как происходит постепенное восстановление сперматогенеза из сохранившихся жизнеспособных сперматогониев типа А.
Первоначальную потерю и последующее восстановление клеточного состава семенников облученных животных отражает рис. 12.12.
Пороговая поглощенная в яичках мужчин доза, вызывающая временную стерильность, составляет около 0,15 Гр при остром облучении и около 0,4 Гр/год при пролонгированном. Постоянная стерильность возникает соответственно при дозах от 3,5 до 6 Гр и при 2 Гр/год.
Т. Зандерман (1966) проанализировал способность к зачатию у 56 мужчин, которым проводили облучение одного яичка по поводу 192
рака; другое при этом получило от 0,5 до 3 Гр рассеянного излучения. От 15 из этих больных (у 7 из которых на второе яичко пришлись дозы от 2 до 3 Гр) родился 21 живой ребенок. У всех 56 больных наблюдалась либо аспермия, либо олигоспермия, и в соответствии с кинетикой клеточных популяций в течение 14 мес облучения наблюдался перерыв в оплодотворяющей способности спермы.
Важно заметить, что радиационная стерильность не вызывает существенного изменения гормонального баланса, либидо и половой потенции животных и человека.
Яичники. Физиологическая регенерация в половых органах самок млекопитающих проявляется в основном не в смене отдельных клеток, а в циклически повторяющихся процессах развития, регулируемых эндокринным аппаратом, и охватывающих целые клеточные комплексы. В процессе развития того или иного фолликула происходит созревание женских половых клеток от оогоний до ооцита. Наиболее радиочувствительный элемент яичника — яйцеклетка.
Стерильность самок возникает при больших дозах, чем у самцов (у мышей — при 2—5 Гр, у крыс — при 15—20 Гр), но, как правило, необратимо. Это связывают с тем, что образование женских половых клеток заканчивается в ранние сроки после рождения и у взрослых яичники не способны к активной регенерации. Поэтому если облучение вызвало гибель всех потенциальных яйцеклеток, то плодовитость утрачивается необратимо.
Пороговая доза, вызывающая постоянную стерильность у женщин, составляет от 2,5 до 6 Гр при остром облучении и более 0,2 Гр/год при длительном многолетнем облучении.
Органы зрения. Известны два типа поражения глаз — воспалительные процессы в конъюнктиве и склере при дозах, близких к вызывающим поражение кожи, и катаракта при дозах 3—10 Гр, в зависимости от вида животных. Катарактогенная доза для человека составляет около 6 Гр. Особенно опасны в этом отношении нейтроны, эффективность которых в 3—9 раз выше, чем у-излучения. Причины образования катаракты полностью не выяснены. Наиболее убедительна точка зрения о ведущем значении первичного
поражения клеток ростковой зоны хрусталика и относительно меньшей роли нарушения его питания.
Органы пищеварения. Наиболее радиочувствителен тонкий кишечник, поражение которого и обусловливает кишечный синдром, описанный в начале главы. Далее по убыванию радиочувствительности следуют: полость рта, язык, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа и печень.
Самый радиорезистентный орган — печень; у взрослых особей печень относится к наиболее «стабильным». Непосредственных морфологических изменений в клетках интактной печени взрослых крыс не удается обнаружить при дозах локального однократного облучения до 15 Гр. Согласно результатам количественных экспериментов Д. Джексона и Г. Христенсена, позволивших оценить радиочувствительность клеток печени крыс к интерфазному поражению, Z)o составила 90 Гр, п = 3.
Сердечно-сосудистая система. К настоящему времени достаточно полно изучена лучевая эритема кожи, возникающая вследствие повреждений кожных кровеносных сосудов, которым не свойственна физиологическая регенерация. Как показали специальные исследования, наиболее радиочувствительным является наружный слой сосудистой стенки, что объясняют относительно высоким содержанием в нем коллагена, подверженного радиационному перерождению. Через 4—5 мес после облучения некоторые сосуды оказались полностью лишенными наружной стенки. Кроме того, в коже мышей уже при дозах 4—15 Гр снижалась последующая реваскуляризация из-за уменьшения способности эндотелия облученных участков к образованию новых капилляров.
Г. Рейнгольдом и Г. Вайсманом (1973) разработан количественный флюорометрический микрометод оценки состояния капилляров в подкожной клетчатке. Метод основан на сравнительном изучении восстановления капиллярного русла после его разрушения воздействием низкой (— 196 °C) температуры и последующего стимулирования пролиферации эндотелия инъекцией мочевой кислоты или лактата лития. В качестве критерия поражения используют так называемый индекс васкуляризации. Этот метод позволил получить кривые выживаемости эндотелия капилляров. По всем параметрам радиочувствительность эндотелия близка к показателям эпителиальных клеток или клеток межуточной ткани: Do = 1,7 Гр; п = 7; D = 3,4 Гр ( см. рис. 13.10).
Сердце до недавнего времени рассматривали как радиорезистентный орган, основываясь главным образом на результатах гис- 194
тологических исследований. Однако Е.И. Воробьевым с помощью биохимических, морфофункциональных и электронно-микроскопических методов были обнаружены непосредственные и отдаленные изменения миокарда после локального облучения в дозах 5—10 Гр. Эти наблюдения были подтверждены С. Таярдо и А. Стьюартом, показавшими, что в развитии радиационного миокардиофиброза после 12-кратного облучения сердца кроликов в суммарной дозе 4,5 Гр основную роль играет нарушение микроциркуляции вследствие облитерации капилляров. Кроме того, теми же авторами получены данные, свидетельствующие и о значительной радиочувствительности эндотелия эндокарда, повреждение которого приводило к образованию внутрижелудочковых тромбов, обнаруживаемых через полгода после локального облучения (20 Гр) области сердца мышей.
Органы дыхания. Легкие взрослых — стабильный орган с крайне низкой пролиферативной активностью в капиллярной системе; последствия облучения легких проявляются не сразу. После облучения грудной клетки мышей в достаточно больших дозах они погибают от пневмонитов через 100—160 сут. При этом, по данным Т. Филипса, при однократном облучении ЛД50/160 составила 13 Гр, а при 20-кратном фракционировании — более 45 Гр. Тщательные гистологические исследования выявили начальные изменения при дозах 20 Гр, наступающие через 3 мес после облучения. Такая задержка в проявлении повреждений связана со слабым клеточным обновлением в легочных капиллярах. Поражение легочной ткани часто лимитирует лучевую терапию.
Головной мозг, спинной мозг и периферические нервы. Выше уже отмечалась значительная радиорезистентность тканей ЦНС. Лучевые реакции нервной ткани головного мозга животных и человека количественно охарактеризованы лишь в последние десятилетия прошлого столетия, когда начали применять заряженные частицы высоких энергий для радиационного удаления гипофиза при лечении злокачественных опухолей молочной железы.
Согласно данным Е.И. Минаковой (1979), на 4—5-е сут после однократного облучения полушарий головного мозга крыс (стволовой части и обонятельных луковиц) 3-мм. пучком протонов с энергией 200 МэВ при дозе 200 Гр развивались очаговые неврологические симптомы: парезы конечностей, нарушение чувстви-
тельности, расстройства ориентировочного рефлекса, и др. Дальнейшее состояние и жизнеспособность животных определялись функциональной ролью пораженных структур. При меньших дозах (10—150 Гр) дегенеративные изменения развивались в течение длительного времени после облучения. При незначительном расширении поля облучения (до 5 мм) морфологические изменения ткани мозга проявлялись раньше и в большей степени. Эти наблюдения свидетельствуют об опосредованном механизме радиационного поражения нервной ткани, которое определяется, в частности, поражением сосудов, что нашло подтверждение в прямых экспериментах Б. Ларсона (1971).
В опытах со строго локальным облучением седалищного нерва крыс и спинного мозга кроликов узкими пучками протонов 185 МэВ при длительном (до 7 мес) наблюдении также отмечена четкая зависимость вероятности и времени возникновения парезов от ширины пучка и дозы излучения. Так, облучение седалищного нерва 11 -мм. пучком в дозах 200 и 300 Гр вызывало парезы соответственно через 15— 17 и 9— 12 сут после облучения; при 4-мм. пучке они наблюдались только с увеличением доз до 300 и 400 Гр, а при диаметре пучка в 2 мм парезы вообще не возникали.
Эндокринные железы. Железы внутренней секреции относят к радиорезистентным органам, хотя реакции эндокринной системы на общее облучение общеизвестны. Однако так же как в отношении нервной системы очень трудно оценить, являются ли эти реакции результатом непосредственного повреждения эндокринных желез или отражением воздействия излучения на другие системы и весь организм. Можно предположить, например, что наблюдаемые после общего облучения нарушения баланса гормонов, особенно щитовидной железы, надпочечников и гонад, могут быть следствием реакции гипоталамо-гипофизарной системы, учитывая тесную взаимосвязь между тирео-, адрено- и гонадотропными факторами гипофиза. Во всяком случае, с позиций систем клеточного обновления эндокринные железы представляют собой популяции функциональных высокодифференцированных клеток, как правило, с очень низким уровнем физиологической регенерации. Особый случай составляет щитовидная железа в детском возрасте, когда, благодаря свойственной ей высокой пролиферативной активности, она оказывается весьма радиочувствительной, в частно- 196
сти, относительно возникновения рака, как это имело место в результате аварии на ЧАЭС (гл. 24).
Органы выделения. Почки достаточно резистентны к действию излучения. В экспериментах на животных разных видов при местном и общем облучении морфологические и функциональные нарушения наблюдались только при дозах в несколько десятков грей. Однако повреждение почек является лимитирующим фактором при облучении опухолей брюшной полости в процессе лучевой терапии. Как отмечает М. Тюбиана, облучение обеих почек при дозе, большей 30 Гр за 5 нед, может вызвать необратимый хронический нефрит, способный привести к смертельному исходу. В исследованиях Т. Филипса показано, что после строго локального облучения области почек мышей ЛД50 через 6 мес составляет около 24 Гр, а через 16 мес — около 13 Гр. При этом как в канальцах, так и в клубочках выявляются изменения, приводящие к почечной недостаточности.
Экспериментальных сообщений относительно радиационных поражений мочеточников, мочевого пузыря и мочеиспускательного канала известно мало, тем не менее, радиационные циститы довольно часто осложняют лучевую терапию рака.
Кости и сухожилия. В период роста кости и хрящи весьма радиочувствительны, а во взрослом состоянии они становятся значительно резистентнее. В качестве примера лучевого поражения костей можно указать на образование остеонекроза, а также возникновение спонтанных переломов в зоне облучения. Несмотря на отсутствие видимых радиационных повреждений кости, они отчетливо выявляются замедлением заживления переломов, вплоть до образования ложных суставов.
Мышцы. Это — высокорадиорезистентные ткани организма. Еще по данным К. Клемедсона и А. Нельсона в ранних экспериментальных работах 50-х годов прошлого столетия слабая мышечная атрофия наблюдалась лишь при дозах 60 Гр, а микроскопические и гистологические изменения мышечной ткани возникали после 500— 1000 Гр (через 24 ч — геморрагии, через 72 ч — некроз). Не изменили этой точки зрения и более поздние исследования. А.К. Гуськова и Г.Д. Байсоголов (1970), учитывая, что в мышцах человека клеточное обновление практически отсутствует, отмечают, что возможность их изолированного радиационного повреждения маловероятна.
Относительность понятия тканевойрадиочувствительности
Относительность понятия тканевой радиочувствительности уже была показана выше на примерах некоторых слабо пролиферирующих тканей — почек, легких и щитовидной железы. Для выявления скрытых радиационных повреждений в мало обновляющихся и даже в стабильных тканях Г.С. Стрелин сочетал облучение с последующим нанесением механической травмы. В этом случае удается выявить консервацию лучевого поражения, проявляющуюся в утрате или в угнетении способности облученной ткани к искусственно индуцируемой посттравматической регенерации. Использование этого приема на некоторых радиорезистентных, мало обновляющихся тканях (костной, мышечной, нервной) и сосудах позволило установить, что и для них радиационное воздействие не остается бесследным, они «запоминают» его и потому оказываются потенциально неполноцеными в функциональном отношении.
Весьма важными факторами, определяющими вероятность и степень развития отдаленных последствий со стороны мало обновляющихся тканей, являются величина разовых доз и общая продолжительность облучения, так как в этих тканях, наряду с характерной для них консервацией поражения, существует и пострадиационная репарация (см. гл. 13).
Следствием скрытых повреждений, возникающих в клетках любых мало обновляющихся тканей, не элиминируемых (в отличие, например, от костного мозга) в процессе деления, являются, в
Рис. 12.13. Зависимость числаклеток с хромосомными аберра-циями (%) от дозы излучения:а — в костном мозге мышей;
б — в печени крыс;
1 — рентгеновское излучение 180 кВ;2 — у-излучение “Со; 3 — протоны600 МэВ
частности, и различные осложнения лучевой терапии. К их числу относятся миелиты, циститы, ректиты, пульмониты, перихондриты, поражения почек, сердца, печени, а возможно частично и злокачественные опухоли.
При сравнении радиочувствительности отдельных тканей, следует применять только адекватные критерии. Например, для таких, казалось бы, разных по радиочувствительности органов, как костный мозг и печень, индукция хромосомных аберраций, возникающих под действием эквивалентных доз излучения, почти одинакова (рис. 12.13). В то же время если в качестве показателя лучевого поражения использовать не непосредственные, а отдаленные последствия, то для этих органов они будут сильно различаться. Поэтому в зависимости от используемого критерия применительно к той или иной ткани, органу или системе понятие радиочувствительности оказывается относительным (см. гл. 15).
Радиочувствительность организма
Радиочувствительность организма млекопитающих можно связать с радиочувствительностью основной критической системы — костного мозга, ибо именно его аплазии, возникающей при тотальном облучении, уже вполне достаточно для гибели организма. Поэтому под радиочувствительностью организма обычно понимают диапазон доз, вызывающих гибель животного при явлениях костномозгового синдрома.
Для количественного изучения радиочувствительности организма используют кривые выживания или смертности, при построении которых на оси абсцисс откладывают дозы излучения, а на оси ординат — процент гибели в течение определенного срока наблюдения (чаще всего за 30 сут). Для всех видов млекопитающих такая кривая всегда имеет S-образную форму. Это объясняется тем, что при облучении в начальном диапазоне доз гибели еще не наблюдается (вплоть до так называемой «минимально летальной дозы»; на рис. 12.14 это — 4 Гр), а начиная с некоторой дозы («минимально абсолютно летальной дозы»; на рис. 12.14 это — 9 Гр), погибают все животные. Так как вся смертность регистрируется в ин-
Рис. 12.14. Кривая смертности мышей, подвергнутых общему рентгеновскому облучению (каждая точка получена для 20 животных) (по И. Томсону, 1964)
тервале между этими дозами, то на данном отрезке кривая круто поднимается вверх, приближаясь к 100%. В качестве примера на рис. 12.14 приведена кривая смертности, характеризующая радиочувствительность мышей линии CFV
По кривой выживания можно оценить дозы, вызывающие гибель любой доли животных. Наиболее пригодным показателем радиочувствительности организма и чаще всего употребляемым является среднелетальная доза — ЛД50. Ее величину легко определить по графику, изображенному на рис. 12.14, из которого видно, что из-за большой крутизны всей кривой в области ЛД50 данные наиболее точны.
Одним из наиболее распространенных методов обработки данных, используемых для сравнительной оценки радиочувствительности объектов, при изучении различных радиомодифицирующих воздействий, а также при изучении различных токсических факторов является пробит-анализ, при котором данные представляют-
ся в координатах пробит-логарифм дозы. Преимущество метода состоит в том, что он позволяет из S-образных, или, как их еще называют, сигмоидных кривых получить прямолинейную зависимость эффекта от дозы. Получаемые прямые могут быть легко обработаны простыми статистическими методами, применяемыми для анализа линейной зависимости.
Из данных рис. 12.14 видно, что, несмотря на большую статистическую нагруженность эксперимента (более 500 животных), при одинаковых дозах излучения наблюдается достаточно большой разброс значений выживаемости. Это определяется высокой вариабельностью индивидуальной радиочувствительности (даже для животных одной линии) и влиянием неконтролируемых условий эксперимента. Приведенный пример показывает, насколько весомым должен быть экспериментальный материал для того, чтобы сделать уверенное заключение о таком интегральном показателе, как радиочувствительность организма.
Рис. 12.15 иллюстрирует результат сравнительной обработки данных, приведенных на рис. 12.14, в двух системах координат. Видно, что между установленными значениями ЛД50 разница весьма незначительна.
Из рассмотренных представлений о костном мозге как системе клеточного обновления, состояние которой определяет исход поражения организма в диапазоне среднелетальных доз, следовало ожидать, что радиочувствительность организма должна коррелировать с радиочувствительностью и способностью к репопуляции пула стволовых клеток, ответственной за репопуляцию всей кроветворной системы. В многочисленных исследованиях, проведенных разными авторами, это предположение подтвердилось. В частности, получена достоверная количественная корреляция между характером восстановления пула стволовых клеток мышей и восстановлением организма, определяемым по критерию выживаемости (см. рис. 13.6).
Подобная корреляция является не единственным доводом в пользу представлений о том, что выжившие после общего облучения стволовые клетки критических систем являются своеобразными детерминантами выживаемости организма. Так, показано, что лечебный эффект клеток костного мозга или клеток других гемопоэтических органов при трансплантации их летально облученным животным (см. гл. 14) полностью определяется содержанием в трансплантате стволовых клеток. Например, для достижения одинакового с костным мозгом лечебного эффекта надо брать в 10 раз больше клеток селезенки, которые содержат в своей популя-
Доза излучения, Гр (линейная шкала)
Доза излучения, Гр (логарифмическая шкала)
Рис. 12.15. Обработка данных из рис. 12.14, в координатах пробит — доза (на логарифмической шкале (кривая 7, кружки) и пробит — доза на арифметической шкале (кривая 2, треугольники):
как и на рис. 12.14, данные по дозам, вызывающим гибель 50% животных, более точ ны, чем по дозам, вызывающим большую или меньшую смертность
ции в 10 раз меньше стволовых кроветворных клеток. Клетки лимфоузлов или тимуса, практически не содержащие стволовые кроветворные клетки, при лечении острого лучевого поражения неэффективны.
Д. Тилл и Е. Мак-Куллох в 1961 г. показали, что терапевтическое действие костного мозга определяется так называемыми кроветворными колониеобразующими единицами (КОЕ), обладающими всеми свойствами стволовых кроветворных клеток, включая одинаковую радиочувствительность. Довольно близка также оценка радиозащитного действия протекторов по тесту числа КОЕ и по 30-дневной выживаемости животных. Одинаковые изменения в выживаемости стволовых клеток и организма отмечены и при других модификациях воздействия, например, при изменении мощности дозы, фракционировании (см. рис. 13.6), а также при использовании излучений, различающихся по ЛПЭ.
Рис. 12.16. Зависимость величины ЛД5О/зо от возраста мышей линии SAS/Д (по М. Кроссфилу и др., 1959)Рис. 12.16. Зависимость величины ЛД5О/зо от возраста мышей линии SAS/Д (по М. Кроссфилу и др., 1959)
Рис. 12.16. Зависимость величины ЛД5О/зо от возраста мышей линии SAS/Д (по М. Кроссфилу и др., 1959)
Рис. 12.16. Зависимость величины ЛД5О/зо от возраста мышей линии SAS/Д (по М. Кроссфилу и др., 1959)
Таким образом, клеточным субстратом, ответственным за выживание организма, является пул стволовых клеток системы клеточного обновления, критической в данном интервале доз. Рассматривая с этих позиций наиболее вероятные причины вариабельности индивидуальной радиочувствительности животных, можно предположить, что они связаны либо со статистической вероятностью поражения, а, следо-
вательно, и выживания
большего или меньшего числа стволовых клеток, либо с различиями в их числе, либо, наконец, определяются различиями в собст
венной радиочувствительности стволовых клеток.
Кроме индивидуальных, существуют половые (самки, как правило, менее чувствительны к излучению) и возрастные различия в
радиочувствительности организма.
На рис. 12.16 приведены данные об изменении ЛД50 в различные периоды жизни мышей. Видно, что радиочувствительность в первые 2—3 нед после рождения наиболее высока, затем снижается, выходя на плато в половозрелом состоянии, и вновь повышается в последний период жизни.
Пока еще нет достаточных данных для объяснения сложной
картины изменения радиочувствительности в зависимости от возраста. Весьма заманчиво предположить, что и это явление отражает участие каких-то, пока не идентифицированных систем, активно функционирующих в определенные периоды жизни и в это время наиболее радиочувствительных. Например, высокая радиочувствительность развивающихся мышей может быть связана с поражением ЦНС, клетки которой в этот период активно пролиферируют и дифференцируются, а потому столь же чувствительны к излучению, как и клетки любой другой пролиферирующей ткани.
В табл. 12.1 приведены данные о величинах ЛД50 для разных видов животных и человека, которые позволяют представить межви-
довыс различия млекопитающих во всем диапазоне доз излучения, вызывающем основные радиационные синдромы.
Таблица 12.1. Величины среднелетальных доз при средней продолжительности жизни 30, 8, 5 и 2 дня для животных различных видов и человека (по В. Бонду и др., 1971)
Объект исследования
Вид излучения и энергия, кэВ
Среднелетальные дозы излучения, Гр
лд,.)/а
лд«/8
ЛД^/'
ЛД„/2
Мышь
X*, 200
6,4
—
12,5
180-400
Мышь (стерильная)
X, 250
7,0
20
—
—
Крыса
X, 250
7,1
—
8,0
200-300
Морская свинка
X, 200
4,5
15
—
60
Хомяк
X, 200
X, 250
6,1
8,6
10
—
200
Кролик
X, 250
7,5
—
—
—
Козел
X, 200 у-нейтронный источник
2,4
—
20
250
Свинья
у-излучение
2,5
—
—
220
Осел
у-излучение
у-нейтронный источник
2,5
3,7
—
—
—
Собака
X, 250
2,5
—
13
—
Macaco mulata
у-излучение
—
15
—
100
Macaco rhesus
у-излучение
—
10
—
50
Человек
у-излучение
3
—
—
—
*Х — рентгеновское излучение.
При воздействии плотноионизирующих излучений отмечается преимущественная гибель от кишечного синдрома. Анализ этого феномена [КоноплянниковА.Г., 1984] показал, что более высокая эффективность нейтронов в отношении поражения кишечника связана с характерной для его стволовых клеток большей (по сравнению с кроветворными) способностью к восстановлению. Нейтроны, как и другие плотно ионизирующие частицы, сильно подавляют восстановление и потому поражают кишечник в большей степени, чем органы кроветворения. На рис. 12.17 показано, что при воздействии редко ионизирующего излучения (у-лучи) кривые выживаемости стволовых клеток двух критических систем смещены относительно друг друга на 4—5 Гр. Этот интервал связан со значительно большей величиной Dq(плеча кривой выживаемости) стволовых клеток кишечного эпителия, чем у стволовых кроветворных клеток. Как известно (см. гл. 7), величина /Луопределя- 204
Рис. 12.17. Кривые выживаниястволовых клеток кишечника(7) и стволовых кроветворныхклеток (2) мышей при у-облуче-нии; 3 и 4 — то же, при облу-чении нейтронами (по А.Г. Ко-ноплянникову, 1982)
ет способность клеток репарировать радиационные сублетальные повреждения. При действии нейтронов «плечо» на кривых доза — эффект исчезает, и они для двух видов стволовых клеток различаются мало. При облучении нейтронами резко сокращается интервал между дозами, определяющими костномозговую и кишечную формы гибели животных. Так, величины ЛД50/30 и ЛД 50/4 при у-об- лучении мышей (60Со) составляют соответственно 6,5 и 10,8 Гр, а при облучении нейтронами со средней энергией 0,85 МэВ — 0,24 и 0,28 Гр.
Большая эффективность облучения нейтронами в отношении кишечника показана и на собаках, но так как дозы, вызывающие у них кишечный и костномозговой синдром, различаются по крайней мере в 5 раз, т. е. значительно больше, чем у мышей, то при облучении в среднелетальных дозах не возникает эффективного поражения кишечника, а следовательно, и гибели от кишечного синдрома.
Наконец, ретроспективный анализ аварии в Лос-Аламосе, приведшей к смерти человека с явлениями радиационного желудочно-кишечного синдрома, показал, что и в этом случае имело место облучение нейтронами, причем доза не превышала 1 Гр.
Таким образом, в основе различий в выраженности двух основных радиационных синдромов, вызванных редко- и плотноионизирующим излучениями, в конечном счете лежат свойственные стволовым клеткам критических систем различия в способности репарировать радиационные повреждения.
Дополнительные доказательства способности выживших стволовых клеток кишечника определять (детерминировать) вероятность выживания организма мышей в соответствующие сроки (4—5 сут после облучения) получены и в опытах, проведенных с использованием различных способов модификации лучевых реакций (варьирование мощности дозы, фракционирование, применение ряда радиопротекторов и радиосенсибилизаторов).
Функционирование соответствующих детерминантных клеточных элементов показано и в других системах клеточного обновления — коже, сперматогенном эпителии и в некоторых опухолях. Лучевая реакция этих систем, особенно на этапе восстановления популяции, во многом определяется фондом жизнеспособных стволовых клеток. Все это дает основание свести межвидовые и индивидуальные различия в радиочувствительности организма млекопитающих к особенностям кинетики клеточных популяций критических систем, детерминантами поражения которых в основном являются соответствующие стволовые клетки.
Детерминированные эффекты облучения
РАННИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ
При рассмотрении радиочувствительности тканей, органов и организма были приведены крайние случаи клинического проявления — в виде летальных эффектов, когда наиболее четко выражена связь непосредственных лучевых реакций с выходом из строя тех или иных критических систем вследствие их клеточного истощения. Конкретными детерминантами при этом, в разных диапазонах доз излучения, являются стволовые клетки соответствующих систем. В зависимости от их функциональной значимости это проявляется в виде острой лучевой болезни (при общем облучении), либо при поражении отдельных органов, например кожи или половых желез, в виде лучевых ожогов и стерильности.
Подобные клинически значимые непосредственные лучевые реакции, связанные с клеточными утратами, объединяются термином детерминированные эффекты. Все они являются пороговыми, т.е. возникают только при достижении определенной дозы и усиливаются с ее увеличением.
В отличие от таких клинически значимых непосредственных лучевых реакций, клеточные утраты в тех же системах обновления всегда происходят и при меньших дозах, однако, вследствие актив- 206
ной пролиферации, они весьма кратковременны, полностью обратимы, т. е. клинически не значимы. Учитывая их общую с детерминированными эффектами природу, представляется логичным назвать их квазидетерминированными эффектами.
ПОЗДНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ
Наряду с ранними, существуют и поздние детерминированные эффекты, характеризующиеся медленным нарастанием и длительным течением. Они являются следствием гибели функциональных клеток тканей с низкими уровнями пролиферации и спонтанной гибели клеток. Последствия гибели этих клеток во многих случаях усугубляются постепенным отмиранием пораженных эндотелиальных клеток капиллярной сети, питающей эти ткани. Первым по времени возникновения из поздних детерминированных эффектов является катаракта (см. гл. 17). Наиболее типичными примерами тканей, в которых детерминированные эффекты могут нарастать в течение многих лет, являются периферическая и центральная нервная системы, кожа (имеется в виду гибель фибробластов), кости.
Чаще всего подобные поздние детерминированные эффекты наблюдаются после лучевой терапии опухолей, проводимой с использованием высоких очаговых доз излучения, в виде фиброзов, патологических переломов костей и различных нейропатий.
Примером может служить наблюдение за женщинами, перенесшими послеоперационное облучение верхней части туловища и нижней части шеи после удаления опухоли молочной железы. При этом в зону воздействия попадало нервное плечевое сплетение, которое получило курсовую дозу фракционированного облучения около 80 Гр. Через несколько лет у больных начала развиваться нейропатия, сопровождающаяся параличом, частота которых возросла с 43% через пять лет после лечения до 100% через 30 лет (рис. 12.18). Кроме нейропатии и параличей, у части больных развивался фиброз подкожной клетчатки и некроз костей. Медиана периода развития перечисленных поздних детерминированных эффектов была равна 2 годам для фиброза, 3 — для нейропатии, 5 — для некроза костей и 7 годам — для паралича.
В последние годы появились сообщения отдельных авторов [Престон Р., 2000—2002] о повышении общесоматической заболеваемости (патологии сердечно-сосудистой системы, кишечника и др.,) среди японской корты пожизненного наблюдения, выявленные с помощью статистического анализа через 50 и более лет после
207
Рис. 12.18. Частота развития нейропатии и параличей в результате лучевого поражения нервного плечевого сплетения у пациентов, подвергшихся лучевой терапии по поводу рака молочной железы [по С. Йохансон, 2000]: светлые столбики — нейропатия: темные — нейропатия с параличем
облучения при дозах от 0,1 до 1 Зв. Сама по себе возможность развития такого рода детерминированных эффектов теоретически возможна, если учесть описанную выше «консервацию» лучевых поражений в слабо пролиферирующих и стационарных тканях, которые при таких низких уровнях облучения проявились только через десятки лет.
Согласно последним данным украинских исследователей [Белый А.А., Коноваленко А.Н., Бебешко ВТ., 2003], при динамическом наблюдении за 162 лицами, перенесшими ОЛБ 1—3-й степени, был также отмечен рост заболеваний тех же висцеральных систем, частота которых, однако, не зависела от степени тяжести ОЛБ, т. е. не зависела от дозы излучения, которая составляла 1—3 Гр. Поэтому наблюдаемый рост заболеваемости, по мнению авторов, обусловлен факторами нерадиационной природы. Эти данные не отвергают вероятности, хотя и крайне малой, развития детерминированных эффектов в более поздние сроки после облучения в малых дозах. Ясность в этом вопросе может быть получена в радиационно-эпидемиологических исследованиях, проводимых среди ликвидаторов Чернобыльской аварии и населения, проживающего на загрязненных территориях (см. гл. 23).
В заключение данной главы приводим табл. 12.2, в которой сведены основные эффекты облучения человека при разных поглощенных дозах острого воздействия.
208
Таблица 12.2. Основные эффекты облучения человека
Доза
Категории эффектов, примеры
Примечания
До 0,2 Гр
Квазидетерминированные эффекты: краткосрочная лимфо- и лейкопения
Клинически незначимы
> 0,2 - < 5 Гр для ранних и отсроченных эффектов, десятки Гр — для поздних
Детерминированные эффекты:
ранние, вскоре после облучения — поражения кожи — эритема, ожог, язва
отсроченные, спустя месяцы, годы — стерильность, катаракта, нефро-, кардиосклероз
поздние, спустя годы, при больших дозах — фиброзы, нейропатии, поражения костей
Клинически значимы, их степень зависит от дозы при местном и общем облучении
0,1-1 Гр
Поздние детерминированные эффекты при малых дозах: различные функциональные нарушения сердечно-сосудистой, нервной и других систем, отмеченные через 50 лет среди японцев, переживших атомную бомбардировку
Радиационная природа подобных эффектов нуждается в подтверждении и изучении
Теоретически при любой дозе
Стохастические эффекты:
злокачественные новообразования (ЗНО) — рак и лейкозы, регистрируются спустя годы, десятки лет;
генетические (наследственные) эффекты в потомстве, обнаруживаются сразу после рождения
Практически риск ЗНО отмечен после 0,5 Гр, генетические эффекты у человека пока не зарегистрированы
<0,1 Гр ( доза облучения плода)
Тератогенные эффекты: различные пороки развития и уродства, возникшие в результате облучения плода на разных стадиях закладки того или иного органа
Будучи пороговыми подозе, относятся к детерминированным, а по вероятности проявления того или иного эффекта — к стохастическим
РЕЗЮМЕ
При общем облучении животных отмечается ступенчатый характер их гибели в определенных диапазонах доз, вследствие выхода из строя определенных критических органов или систем, ответственных за выживание в этих дозовых диапазонах, что проявляется в виде трех основных радиационных синдромов — костномозгового, кишечного и церебрального.
Временные и количественные параметры радиационных синдромов определяются цитокинетическими параметрами соответствующих самообновляющихся клеточных систем — кроветворения, тонкого кишечника и ЦНС.
Костный мозг и кишечник — типичные примеры активно пролиферирующих радиочувствительных систем клеточного обновления, а ЦНС, напротив, — наименее делящихся (стационарных) радиорезистентных органов.
Радиочувствительность организма наиболее часто определяется поражением костного мозга, т.к. критической системой, ответственной за выживание при дозах до 10 Гр, является кроветворение. Критическим органом в следующем диапазоне от 10 до 100 Гр оказывается тонкий кишечник.
Клеточными детерминантами, определяющими степень радиационного поражения обеих критических самообновляющихся систем, являются стволовые клетки костного мозга и кишечника, идентифицируемые с колониеобразующими единицами.
Развивающиеся в ближайшие сроки после облучения в определенных (пороговых) дозах клинически значимые лучевые реакции, связанные с клеточным опустошением активно пролиферирующих систем самообновления, объединяются термином «детерминированные эффекты».
Временные, легко восполнимые клеточные утраты при меньших дозах, не вызывающие клинически значимых реакций организма, относятся к квазидетерминированным эффектам.
Тканевая радиочувствительность — понятие относительное. В радиорезистентных стационарных или слабо пролиферирующих органах и тканях под влиянием облучения возникают (и сохраняются, консервируются) скрытые типичные радиационные повреждения, в частности, хромосомные аберрации, которые могут быть выявлены в условиях активации клеточного деления, например, в процессе посттравматической регенерации.
Лучевые поражения, развивающиеся в отдаленные сроки после облучения вследствие отмирания функциональных клеток слабо пролиферирующих тканей, таких как сосуды, кости и нервы, относятся к поздним детерминированным эффектам.
ч rs ГЛАВА
1 5 ПРОЦЕССЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
В ОБЛУЧЕННОМ ОРГАНИЗМЕ
Кинетика восстановления облученного организма Пострадиационное восстановление основных критических систем и всего организма
Фазное изменение радиорезистентности организма в раннем пострадиационном периоде
Неполноценность восстановления некоторых функций после облучения
Особенности повреждения и репарации малообновляющихся тканей
Необратимая компонента лучевого поражения организма
Восстановление организма после острого лучевого поражения в первом приближении можно свести к пролиферации клеток, сохранивших жизнеспособность, благодаря чему восполняется убыль популяции клеток критических органов и систем, а следовательно, восстанавливается их функциональная полноценность.
Источником пострадиационного восстановления критических тканей и органов могут быть не только неповрежденные клетки, но и клетки, поврежденные обратимо и восстановившие жизнеспособность, точнее, способность к неограниченному размножению.
В любой облученной клеточной популяции следует различать два типа пострадиационного восстановления: репарацию на клеточном уровне, детально описанную в гл. 8, и пролиферацию клеточных элементов.
Процессы восстановления в организме животного и человека после облучения протекают с различной скоростью: наивысшей в активно пролиферирующих тканях и минимальной в тканях с низким уровнем пролиферации.
Кинетика восстановления организмапосле общего облучения
Распространенный метод количественной оценки пострадиационного восстановления организма состоит в изучении чувствительности организма к повторному облучению, производимому в разные сроки после первоначального радиационного воздействия.
33О 510152025О 510152025Время после облучения, сутВремя после облучения, сутРис. 13.1. Теоретическая кривая восстановления организма с долей необратимого поражения (по Г. Дэвидсону, 1960)
3
3
О 510152025
О 510152025
Время после облучения, сут
Время после облучения, сут
Этот метод и положенная в его основу теория восстановления организма впервые были выдвинуты Г. Блэром (1955), а затем развиты Г. Дэвидсоном. В качестве меры чувствительности организма к моменту повторного облучения принимают величину ЛД50/30 (начальная доза), сравнивая ее с (повторной) дозой, вызывающей тот же эффект при одновременном облучении в суммарной дозе.
Согласно классической теории Блэра, пострадиационное восстановление протекает с постоянной скоростью (пропорциональной величине поражения) по экспоненциальному закону. Это относится, однако, не ко всей величине начального поражения, а к определенной его части, так как другая часть является необратимой (она пропорциональна величине общей накопленной дозы). Иными словами, эффективную (остаточную) дозу можно выразить следующей формулой:
Z),=Z)[/+(1-/KP1,
где D — доза первоначального поражения; / — необратимая часть поражения; (1—/) —доля обратимого лучевого повреждения; р — скорость восстановления в сутки; t — число суток; е — основание натуральных логарифмов.
На рис. 13.1 приведена теоретическая кривая восстановления организма при ри / равных 12,5 и 10% соответственно.
Если повторное облучение и определение ЛД50/30 производить через разные промежутки времени, то по разнице между величинами ЛД50/30 при однократном и повторном облучении можно определить несколько важных количественных параметров. К ним
относятся: изменение во времени величины остаточного радиационного поражения (необратимой компоненты), темп восстановления радиорезистентности организма и период его полувосстановления — время, необходимое для восстановления организма от лучевого поражения на 50%.
Период полувосстановления (71/2) практически является константой, как правило, увеличивающейся с видовой продолжительностью жизни животного. По данным разных авторов, он равен для мыши 2—8, для крысы 6—9, для собаки 14—18, для осла 20—28 сут.
У человека Т1/2, согласно расчетам, составляет 25—45 сут; в среднем его принимают за 28 сут при скорости восстановления -0,1%.
Американскими исследователями была предложена формула для вычисления эффективной (остаточной) дозы (2)эф) для человека с расчетом, что 10% поражения остаются необратимыми:
Дзф = 0,12)- 0,92) 0,975'”4 ,
где D — доза при однократном облучении; / — число суток, прошедших после облучения. Позднее была предложена упрощенная формула:
2)эф= 2)(КВ),
где КВ — коэффициент времени — часть поражения, оставшегося к каждому данному моменту времени, прошедшему после первого облучения. Ниже представлены значения КВ для различных сроков после облучения человека:
Время, сут
кв
Время, сут
КВ
5
0,90
60
0,30
10
0,80
100
0,18
20
0,70
200
0,11
30
0,60
365
0,10
В последующем была подтверждена справедливость концепции Блэра—Дэвидсона в ее общем виде, особенно в области ориентировочного прогнозирования тяжести поражения и планирования мер по противолучевой защите человека. В то же время сравнительно рано начали накапливаться факты, противоречившие этой концепции и имевшие большое принципиальное научное значение, важное для экспериментальной и клинической радиобиологии.
Время после 1-го облучения, сут
Рис. 13.2. Зависимость динамики остаточного повреждения от времени между первым и повторным рентгеновским (/) или протонным (2) облучением
Прежде всего стало известно, что процесс изменения пострадиационной радиочувствительности организма характеризуется фазовой периодичностью, сопровождающейся переменой знака радиочувствительности. Первые данные о возможности уменьшения чувствительности к повторному облучению, индуцируемому предварительным облучением в нелетальной дозе получены в экспериментах на мышах. Затем аналогичные результаты были получены на других видах животных — крысах, собаках и овцах.
На рис. 13.2 приведены собственные результаты изучения изменений радиорезистентности мышей, полученные в зависимости от интервала между первым и повторным воздействиями двумя видами редко ионизирующих излучений — рентгеновским излучением 180 кэВ и протонами, ускоренными до энергии 660 МэВ. Видно, что в течение первой недели после облучения происходит быстрое уменьшение остаточного повреждения, сменяющееся затем периодом повышенной радиорезистентности (с 10-х по 18-е сут), после которого радиочувствительность возвращается к исходному уровню. Различий в кинетике процесса при действии обоих видов излучения обнаружено не было (как и следовало ожидать, исходя из близких значений их ЛПЭ).
Таким образом, в данном эксперименте, как и в работах других авторов, в течение первых 20—30 сут после острого однократного облучения не только не удалось зарегистрировать необратимую компоненту лучевого поражения, но даже имел место период временного повышения радиорезистентности организма. 214
Рис. 13.3. Период полувосстановления после облучения мышей в разных дозах (по И.Г. Акоеву, 1970)
Кроме того, в дальнейшем выяснилось, что период полувосстановления, а следовательно, и константа восстановления в уравнении Блэра не являются величинами постоянными и зависят от дозы излучения. В опытах И.Г. Акоева на мышах, подвергнутых повторному облучению, было установлено, что наибольший темп восстановления наблюдается после первоначального воздействия в дозе 4 Гр. Темп восстановления (рис. 13.3), по мнению автора, связан соответственно с возрастанием тяжести поражения или с недостаточной мобилизацией репарационных механизмов из-за слабой степени повреждающего воздействия.
Отмечено также, что чувствительность организма к повторному облучению не совпадает с клиническими признаками болезни, так как определяемое таким способом восстановление может опережать развитие разнообразных проявлений лучевого синдрома.
Все эти данные послужили основой для критики концепции Блэра. В работах В.А. Резонтова, посвященных анализу данного вопроса, указывается на неправомерность такого подхода для универсальной оценки состояния облученного организма по следующим соображениям:
возможно несоответствие между интенсивностью временных процессов при первом и повторном облучениях;
не исключена несопоставимость общепринятых оценочных тестов при первом и повторном облучении;
принципиально невозможно равенство биологической эффективности доз первого и второго облучения в любом их сочетании;
отсутствие достаточных оснований для полного распространения всех выявленных закономерностей на дозы, не вызывающие гибель. '
Тем не менее приведенные дополнительные данные не снижают ценности количественных принципов Блэра, а лишь свидетельствуют о необходимости внесения соответствующих коррективов при построении и анализе конкретных экспериментов с учетом постоянно накапливающейся информации. При рассмотрении клеточных аспектов пострадиационного восстановления организма необходимо (при известной ограниченности такого подхода) выделить наиболее ответственное звено в цепи развивающихся событий, поражение и восстановление которого поддается количественному учету.
Самый рациональный путь решения данного вопроса — цито- кинетическое и функциональное изучение критических органов, определяющих течение и исход лучевого поражения организма в соответствующих интервалах доз.
Регенерация костного мозга
и пострадиационное восстановление организма
Многочисленные экспериментальные данные, как уже упоминалось в предыдущей главе, послужили основанием для заключения о том, что восстановление организма млекопитающих после облучения в значительном диапазоне доз (при тотальном облучении вплоть до 10 Гр, а при экранировании кишечника и до 16—18 Гр) является следствием регенерации определенного числа сохранившихся жизнеспособными полипотентных кроветворных стволовых клеток.
При этом, однако, нельзя не отметить, что несмотря на весьма активное развитие специальных исследований, пока не разработаны методы, позволяющие разделить различные субпопуляции стволовых клеток, а потому все еще остается спорным вопрос о роли стволовой клетки как единой полипотентной клетки — предшественницы кроветворной и лимфоидной тканей.
Выше было показано, что опустошение костного мозга мышей и крыс начинается тотчас после облучения и в 1-е сут (а при дозах более 7 Гр и в последующие 2—3 сут) происходит по экспоненциальному закону с одной и той же скоростью независимо от дозы (см. рис. 12.8). Н.Л. Шмакова в нашей лаборатории провела количественные исследования костного мозга мышей, облученных в дозах 2,7—7 Гр. При этом одновременно определялись несколько 216
показателей: число погибающих в самые ранние сроки от интерфазного поражения ядросодержащих клеток (миелокариоцитов), кинетика митотического индекса, а также общее количество делящихся клеток и доли в них нежизнеспособных клеток с хромосомными аберрациями.
Полученные результаты показали, что основной причиной катастрофического начального опустошения костного мозга является задержка клеточного деления при продолжающемся выходе форменных элементов в кровеносное русло с обычной скоростью, на которой облучение практически не сказывается. В этом процессе почти не участвуют лимфоциты; погибая на месте, в костном мозге, поапоптоти- ческому пути, они не влияют на общую картину его опустошения, так как вообще составляют 20—25% общего числа клеток костного мозга, а к 5—б-му часу после облучения их остается всего 1 /5 от исходного количества.
Так как облучение не сказывается на скорости поступления клеток в кровь, то по кинетике начального опустошения костного мозга можно судить о средней скорости образования его пролиферативного пула в норме. На рис. 13.4, где представлены экспериментальные данные, полученные Н.Л. Шмаковой, видно, что время полуобновления костномозговой популяции у белых беспородных мышей составляет 17 ч.
Механизм опустошения костного мозга впервые описан Т. Паком (1965), продемонстрировавшим возможность полного модели-
Рис. 13.4. Кинетика клеточного опустошения костного мозга мышей в начальный период после рентгеновского облучения
рования кинетики радиационного поражения репродукции кроветворных клеток ингибиторами митозов — колцемидом или винбластином. Аналогичные закономерности обнаружены А.М. Кононенко в серии работ 1966—1970 гг. по количественному кинетическому анализу радиационного поражения и восстановления слизистой кишечника. Это позволяет рассматривать данный механизм в качестве универсального, объясняющего пострадиационное опустошение органов, работающих по принципу открытых систем.
Изучение кинетики миелокариоцитов в пострадиационный период указывает, что уменьшение их количества, отражающее скорость выброса, сохраняет экспоненциальный характер лишь до начала регенерации. Наблюдающееся затем увеличение количества клеток (см. рис. 13.4) происходит тем раньше, чем меньше доза излучения, и определяется различиями в сроках восстановления митотической активности из-за более короткого периода ее торможения при меньших дозах (см. гл. 8). Это и обеспечивает начало регенерации с более высокого уровня. Кроме того, на величине создаваемого клеточного фонда сказывается и качество митоза, так как даже при относительно высоком митотическом индексе наличие большого числа патологических митозов практически не приводит к образованию новых клеток (табл. 13.1).
Строгая связь между дозой излучения, числом погибших клеток и началом регенерации позволяет использовать общее количество клеток в некотором объеме костного мозга в качестве надежного количественного критерия оценки тяжести поражения в определенные сроки после облучения.
Аналогичным образом используют определение общего числа клеток или массы других радиочувствительных органов (селезенки, тимуса, лимфатических узлов, тонкого кишечника, семенников), отражающей степень убыли этих клеток.
Обращает на себя внимание тот факт, что через 2—4 сут после облучения, когда доля клеток с аберрациями еще достаточно высока, соотношение разделившихся клеток при дозах 7 и 2,7 Гр составляет 1:10, в то время как число жизнеспособных клеток при дозе 7 Гр в 30 раз меньше. Это объясняется тем, что с ростом дозы доля патологических митозов среди разделившихся клеток возрастает.
Таблица 13.1. Изменение пролиферативного пула костного мозга мышей в течение 2—4 сут после облучения
Доза, Гр
Количество разделившихся клеток в бедренной кости х 106
Всего
С летальными хромосомными аберрациями
Жизнеспособных*
2,7
9,60
3,10
6,50
4,0
3,10
0,87
2,23
7,0
0,96
0,72
0,18
Предполагается, что большинство клеток с аберрациями погибаетпри первом митозе.
Следствием описанных процессов является связанное с дозой уменьшение скорости заполнения кровеносного русла зрелыми жизнеспособными клетками, определяющее, в свою очередь, глубину и длительность лейкопении. Активная регенерация костного мозга приводит к количественной нормализации миелокариоцитов, время наступления которой находится в обратных отношениях с дозой излучения.
На рис. 13.5 показано, что при дозе 2,7 Гр в период 10—20 сут после облучения общее число миелокариоцитов у мышей даже превышает исходную величину. Аналогичная гиперплазия костного мозга примерно в те же временные периоды отмечена А.Л. Выгодской в нашей лаборатории и при нелетальном облучении крыс.
Время после облучения, сутВремя после облучения, сутобщего числа ядросодержащих клеток костного мозгаобщего числа ядросодержащих клеток костного мозгаРис. 13.5. ДинамикаРис. 13.5. Динамикамышей, подвергнутых общему рентгеновскому облучениюмышей, подвергнутых общему рентгеновскому облучению
Время после облучения, сут
Время после облучения, сут
общего числа ядросодержащих клеток костного мозга
общего числа ядросодержащих клеток костного мозга
Рис. 13.5. Динамика
Рис. 13.5. Динамика
мышей, подвергнутых общему рентгеновскому облучению
мышей, подвергнутых общему рентгеновскому облучению
При сравнении рис. 12.2 и 12.5 видно, что период временного повышения радиорезистентности организма мышей по срокам точно совпадает с гиперплазией костного мозга. Этот факт трактуется большинством авторов в пользу существования причинно-следственных отношений между обоими феноменами, отражающих увеличение клеточного фонда как основы последующего ускорения регенерации кроветворения, а следовательно, и восстановления организма.
Динамика радиорезистентности организмав раннем пострадиационном периоде
В гл. 8 было показано, что для изолированных клеток фазовое изменение радиочувствительности наблюдается не только в относительно отдаленные сроки, но и в первые часы после облучения. Вначале (первые 5—8 ч) происходит повышение радиорезистентности, затем (через 9—12 ч) — кратковременное ее снижение, после чего она снова монотонно повышается. Аналогичное явление обнаружено и при изучении выживаемости животных после облучения в дозах, вызывающих гибель при явлениях костномозгового или кишечного синдромов.
Начальный период повышения радиорезистентности клеток связывают с восстановлением их от сублетальных повреждений, фазу повышения радиочувствительности — с частичной синхронизацией пула на наиболее радиочувствительной стадии клеточного цикла, а последующее монотонное снижение чувствительности объясняют следствием начавшейся клеточной регенерации.
Необходимо обсудить правильность объяснения двух первых периодов, так как интерпретация третьего едва ли вызывает сомнения. Как и прежде, для получения информации о механизмах ранних изменений радиочувствительности можно воспользоваться цитологическим анализом соответствующих критических систем. На рис. 13.6 сопоставлены данные 30-суточных наблюдений за выживаемостью мышей, подвергнутых двукратному облучению в дозах 3 и 4,2 Гр (с интервалом 1,5; 3; 6; 9; 12; 18 и 24 ч), и состоянием их стволовых кроветворных клеток. Видно, что зависимости повторяют одна другую и по форме, и по временным параметрам. Это дает основание считать, что изменение радиочувствительности организма, происходящее в первые часы после облучения в данном диапазоне доз, целиком определяется состоянием кроветворных клеток. Если это так, то снижение чувствительности, на- 220
Рис. 13.6. Влияние интервала между первым и вторым облучениями на выживаемость мышей — 1 (по С. П. Ярмоненко, 1966) и кроветворных клеток — 2, 3 (2—по В. П. Парибоку, А. И. Переверзеву, 1967; 3 — поЕ. Мак-Куллоху, Д. Тиллу, 1964)Рис. 13.6. Влияние интервала между первым и вторым облучениями на выживаемость мышей — 1 (по С. П. Ярмоненко, 1966) и кроветворных клеток — 2, 3 (2—по В. П. Парибоку, А. И. Переверзеву, 1967; 3 — поЕ. Мак-Куллоху, Д. Тиллу, 1964)Рис. 13.7. Число миелокарио- цитов в бедренной кости мыши на третьи сутки после облученияРис. 13.7. Число миелокарио- цитов в бедренной кости мыши на третьи сутки после облучения
Рис. 13.6. Влияние интервала между первым и вторым облучениями на выживаемость мышей — 1 (по С. П. Ярмоненко, 1966) и кроветворных клеток — 2, 3 (2—по В. П. Парибоку, А. И. Переверзеву, 1967; 3 — по
Е. Мак-Куллоху, Д. Тиллу, 1964)
Рис. 13.6. Влияние интервала между первым и вторым облучениями на выживаемость мышей — 1 (по С. П. Ярмоненко, 1966) и кроветворных клеток — 2, 3 (2—по В. П. Парибоку, А. И. Переверзеву, 1967; 3 — по
Е. Мак-Куллоху, Д. Тиллу, 1964)
Рис. 13.7. Число миелокарио- цитов в бедренной кости мыши на третьи сутки после облучения
Рис. 13.7. Число миелокарио- цитов в бедренной кости мыши на третьи сутки после облучения
блюдающееся через 18 и 24 ч после первой дозы (3 Гр), легко объясняется начавшейся регенерацией кроветворных клеток, которая при данном уровне радиационного воздействия уже хорошо обнаруживается (см. рис. 13.4). Однако для результатов, полученных в более ранние сроки, в частности через 3 и 6 ч, такое объяснение не
приемлемо, так как в это время митотическая активность костного мозга почти полностью угнетена. Между тем (см. рис. 13.6) выживаемость мышей в эти сроки увеличивается на 20—50%.
Данный феномен с полным осно
ванием можно считать следствием восстановления жизнеспособности части клеток костного мозга, элиминировавших сублетальные повреждения, нанесенные первой дозой. Вследствие этого к моменту повторного облучения увеличивается пул жизнеспособных клеток. Анализ костного мозга через трое суток (период максимальной аплазии) после двукратного облучения с 3-часовым интервалом показал, что число миелока- риоцитов действительно более чем на 30% превышает их уровень у контрольных животных, подвергнутых однократному облучению в той же суммарной дозе (рис. 13.7).
Время между облучениями, ч
Рис. 13.8. Четырехдневная выживаемость мышей, подвергнутых двукратному (600 бэр • 2) рентгеновскому (7) или нейтронному (2) облучению как функция времени между отдельными фракциями (по Д. Бьюли, С. Хорнси, 1964)
Анализируя рассматриваемое явление на клеточном уровне, вполне логично предположить, что доля клеток, выживших после первого облучения, должна быть представлена наиболее радиоре- зистентной частью асинхронной популяции костного мозга. Поэтому увеличение интервала между повторными облучениями должно сопровождаться снижением резистентности вследствие продвижения клеток по циклу в сторону более чувствительных стадий. На самом же деле увеличение этого интервала до нескольких часов приводит к увеличению числа выживших клеток, что однозначно свидетельствует о наличии истинного восстановления жизнеспособности части клеток, которое подтверждено в экспериментах М. Элкайнда на синхронизированных клеточных культурах.
Изменение радиочувствительности организма в первые часы после облучения наблюдается и при более высоких дозах, вызывающих «кишечную» гибель. Как показано на рис. 13.8, при рентгеновском двукратном облучении мышей в суммарной дозе 12 Гр также наблюдается фазное изменение радиорезистентности организма, тестируемое по интенсивности «кишечной» гибели, — числу мышей, погибших к 4-м сут. В этом случае существование истинного восстановления подтверждается отсутствием различий между эффектами однократного и повторного облучения нейтронами (см. кривая 2нарис. 12.8), вызывающими трудно репарируе- мые или вовсе нерепарируемые повреждения клеток (см. гл. 6 и 8). 222
Повышение радиорезистентности в ранние сроки после облучения наблюдалось на различных клетках (колониеобразующих клетках костного мозга, кишечника и кожи) и у животных разных видов (мышей, крыс, хомяков, баранов).
Степень восстановления некоторыхфункций организма
При изложении представлений Г. Блэра указывалось, что в предложенную им формулу, описывающую пострадиационное восстановление, включена необратимая компонента поражения, которая в последующих исследованиях не была обнаружена. Более того, у животных даже зарегистрировано кратковременное повышение радиорезистентности, наблюдающееся, как только что было показано, в раннем пострадиационном периоде. Однако ни этот тест, ни этот срок, являясь общепринятыми и оправданными для оценки летальности при остром лучевом синдроме, не могут служить показателями функциональной полноценности различных систем организма, в том числе и системы кроветворения. Это легко продемонстрировать на примере анализа скорости роста клеточной популяции костного мозга животных в зависимости от суммарной дозы однократного и фракционированного облучения.
Рис. 13.9. Кинетика восстановления миелокариоцитов мышей при однократном (7 —5) и фракционированном (4 и 5) общем облучении:
7 — 2,7 Гр, 2—4 Гр, 5—7 Гр, 4—3 Гр х 4 раза с интервалом 2 сут, 5—4 Гр х 4 раза с интервалом 5 сут; заштрихованная часть — область нормы
Как видно изданных рис. 13.9, после однократного облучения в сублетальных дозах (2,7 и 4 Гр) отмечается наибольший темп восстановления со средней скоростью 3 • 106 клеток/сут. При минимальной абсолютно летальной дозе (7 Гр) в первые трое суток скорость регенерации та же, а затем снижается более чем в два раза (до 1,55 • 106 клеток/сут), в связи с чем исходный уровень достигается значительно позднее. После фракционированного облучения скорость восстановления еще более снижена. При облучении в течение 6 сут в суммарной дозе 12 Гр восстанавливается по 0,7 • 106 клеток/сут, а при двухнедельном пребывании костного мозга в состоянии аплазии (4 раза по 4 Гр через 5 сут) и суммарной дозе 16 Гр после кратковременного (в течение 2 сут) периода активного восстановления (2,4 • 106 клеток/сут) его скорость падает до минимального значения (0,37 • 106 клеток/сут).
Отсюда следует, что на темпе восстановления клеток костного мозга неблагоприятно сказываются увеличение суммарной дозы излучения и продолжительности фракционирования, в этом случае нарушение функции проявляется уже в первые недели после облучения. Аналогичные выводы были сделаны на основании экспериментов М. Вуддса (1967), наблюдавшего 5-кратное снижение пролиферативной активности колониеобразующих единиц костного мозга и включения радиоактивного железа при фракционированном ежедневном облучении, причем активность гемопоэза снижалась после каждой фракции. Об уменьшении темпов регенерации, вызванном изменением функционального состояния костного мозга в результате предварительного облучения, свидетельствуют также данные работ, оценивающих кроветворение у животных различных видов и человека в отдаленные сроки после облучения [Акоев И.Г., 1970].
В связи с оценкой полноценности восстановительных процессов после облучения следует согласиться с тем, что начальные изменения, составляющие основу отдаленной лучевой патологии, могут не иметь существенного значения в проявлениях и патогенезе острого лучевого синдрома [Александров С. Н., 1964, 1965]. К таким нарушениям можно отнести нелетальные повреждения наследственного аппарата, а также различные эпигеномные нарушения в клетках соматических тканей, характеризующихся низкой физиологической регенерацией (печень, нервная ткань, мышцы, кости и др.), в которых эти нарушения сохраняются и могут сказаться впоследствии на физиологической активности.
Нарушения функций различных систем, в том числе и кроветворной, наблюдающиеся с увеличением дозы или в отдаленные сроки после облучения, определяются не только непосредственными радиационными повреждениями клеток. Они могут быть также следствием нарушений нейроэндокринной регуляции, как одного из проявлений необратимой компоненты лучевого поражения, определяющего снижение ряда адаптивных возможностей организма. Например, по наблюдениям П.Д. Горизонтова (1964), при облучении верхней половины туловища собак, в частности головы, темп репарации патологических сдвигов оказывался более низким, а остаточная компонента лучевого поражения намного выше, чем при эквивалентном облучении остальной части тела. Это подтвердилось клинико-физиологическими данными в виде следовых нарушений деятельности ЦНС, которые можно наблюдать даже спустя 18 меси позднее [Михаэльсон С., 1961]. Известны данные о подавлении активности ферментов печени крыс после облучения головы в дозах 10—100 Гр [Нир Дж., 1967].
Количественные аспекты восстановления в отдаленные сроки после общего и локального облучения детально изложены в монографиях Н.Г. Даренской и соавторов (1969) и И.Г. Акоева (1970). Анализ этих данных позволяет прийти к заключению о том, что восстановление самых разнообразных функций после облучения, как правило, оказывается далеко не полноценным, причем степень неполноценности определяется прежде всего поглощенной дозой.
Особенности повреждения и репарациималообновляющихся тканей
В многолетних исследованиях Г.С. Стрелина с сотрудниками, посвященных изучению способности облученных мало обновляющихся тканей к посттравматической регенерации, варьировал интервал между облучением и нанесением механической травмы.
Объектами исследований служили костная ткань, сухожилия, нервный ствол, соматическая мышечная ткань, кровеносные сосуды, эпителий роговицы, печень и молочная железа. Как отмечалось в предыдущей главе, их отнесение к «типичным радиорези- стентным» тканям лишь условно. Лучевое повреждение в них возникает и легко обнаруживается при возбуждении регенерационного процесса дополнительной травмой, способность к излечению которой оказывается резко подавленной в абсолютном большин-
стве случаев уже при дозах порядка 10 Гр. Из-за консервации лучевых повреждений они могут быть выявлены нанесением травмы и через значительные сроки после облучения (6 мес и более).
В опытах с фракционированным облучением удалось обнаружить, что наряду с консерватизмом поражения во многих «стабильных» тканях можно отметить и явные признаки репарации, выраженной в отдельных тканях в разной степени, но значительно менее активно, чем в пролиферирующих системах. Так, например, в костной и мышечной тканях репарация практически отсутствует, что приводит к кумуляции повреждений. В то же время фракционирование дозы при локальном облучении сухожилия приводит к заметному ослаблению его посттравматической регенерации, даже если хроническое облучение в суммарной дозе 30 Гр продолжалось 6 мес. Более активно восстанавливается после облучения (но также через длительные сроки, ~ 170 сут) способность к репарации периферического нерва.
Различные результаты получены при оценке репаративных возможностей облученных сосудов. Изучение развития коллатералей после перерезки бедренной артерии в разные сроки после облучения позволило сделать вывод о стойкой консервации лучевого поражения сосудов. Правда, при длительном фракционированном облучении (2,5—6 мес) повреждение заметно ослабевало, и образование коллатералей в облученном поле было ненамного меньшим, чем в контроле. При использовании в качестве показателя поражения эндотелия сосудов «индекса васкуляризации» в условиях повторного облучения с интервалом в 24 ч выявился четкий эффект восстановления (рис. 13.10). Не исключено, что эти различия связаны не только с разными критериями, но и с величинами доз и объемов облученных тканей.
Длительное время считали, что в печени не происходит репарации клеточных повреждений после облучения. Основанием для этого служили результаты экспериментов, в которых число клеток с хромосомными аберрациями, учитываемых при посттравматической регенерации, не снижалось, даже если между облучением и удалением доли печени (стимулирующем регенерацию) проходило несколько месяцев [Альберт М., 1958]. Не уменьшалось число аберрантных митозов и при двукратном облучении в дозах 2,5 Гр с интервалом в 7 сут по сравнению с однократным облучением в дозе 5 Гр. Однако в последующем при хроническом [Куртис X. и др., 1964; Палыга Г.Ф. и др., 1964; Ноуэлл П., 1965] и фракциони- 226
Рис. 13.10. Кривые выживания эндотелия капилляров, полученные при микрофлуорометрии после внутривенного введения красителя (по Г. Рейнгольду, Г. Вайсману, 1973):
/ — однократное облучение (Д,= 1,7 Гр, п = Т, £>,«3,4 Гр); 2—повторное облучение
рованном [Ольшевская О.П. и др., 1968] облучении в относительно малых дозах (0,007—0,1 Гр/сут) было обнаружено снижение числа хромосомных аберраций вследствие репарации хромосом.
На рис. 13.11 приведены результаты экспериментов на крысах, подвергнутых хроническому у-облучению в суммарной дозе 1,5 Гр при разной мощности дозы от- 0,0083 до 0,1 Гр/сут; соответственно продолжительность облучения варьировала от 180 до 15 сут. При этом выход хромосомных аберраций в клетках регенерирующей печени значительно снижался с уменьшением мощности дозы, и при наименьшей интенсивности облучения число аберрантных клеток не превышало их числа в контроле (у животных того же возраста). Анализ этого явления с учетом возможной элиминации поврежденных клеток в процессе естественного самообновления печени позволил сделать вывод о возможности репарации поврежденных хромосом.
Значительное ослабление цитогенетического эффекта в клетках печени наблюдалось и при фракционированном облучении.
227
Продолжительность облучения, сутПродолжительность облучения, сутРис. 13.11. Зависимость числа кле-ток печени крыс с индуцированны-ми облучением хромосомнымиаберрациями (7) от продолжитель-ности у-облучения в суммарнойдозе 1,5 Гр по сравнению с кон-трольными животными (2) соответ-ствующего возраста:
Продолжительность облучения, сут
Продолжительность облучения, сут
Мощность дозы излучения, Гр/минМощность дозы излучения, Гр/минРис. 13.12. Зависимость цитогенетического эффекта в клетках печени крыс от мощности дозы излученияРис. 13.12. Зависимость цитогенетического эффекта в клетках печени крыс от мощности дозы излученияколичество клеток с индуцированнымиоблучением аберрациями (Л) вычисленопо формуле: А = (Л/о-А/к)/ (100-Л7к) 100,где Мо — число аберрантных клеток уоблученных животных; Мк — то же, уконтрольных крыс соответствующеговозраста
Мощность дозы излучения, Гр/мин
Мощность дозы излучения, Гр/мин
Рис. 13.12. Зависимость цитогенетического эффекта в клетках печени крыс от мощности дозы излучения
Рис. 13.12. Зависимость цитогенетического эффекта в клетках печени крыс от мощности дозы излучения
Как выяснилось, 10—100-кратное фракционирование дозы 0,1; 1 или 3 Гр приводило к значительному ослаблению повреждающего эффекта. При этом ни изменение разовой дозы (0,007—0,3 Гр), ни увеличение интервала между дозами (1 — 10 сут) не влияло на степень ослабляющего эффекта фракционирования.
Сопоставление результатов опытов с хроническим и фракционированным облучением (табл. 13.2) позволяет сделать вывод о том, что коэффициент снижения эффекта при различных режимах фракционирования изменяется в основном от 0,33 до 0,49. Примерно такая же степень ослабления эффекта наблюдалась и при хроническом облучении, когда мощность дозы составляла 1,7 • 105 и 3,5 • 10-5 Гр/мин. Однако, как уже упоминалось, последующее снижение мощности дозы ослабляет повреждающий эффект радиации вплоть до полного исчезновения: при мощности 228
дозы 0,58 • 10 3 Гр/мин коэффициент снижения эффекта равен 1 (рис. 13.12).
Таблица 13.2. Хромосомные аберрации в клетках регенерирующей печени крыс при однократном, фракционированном и хроническом облучении (по Палыге Г.Ф. и др., 1966; Ольшевской О.П. и др., 1968)
Суммарная доза, Гр
Режим облучения
Суточная доза, Гр
Мощность дозы, Гр/мин
Число фракций
Интервал между отдельными фракциями, сут
Коэффициент снижения эффекта, a—b' /а
1,5
Однократное
1,5
0,26
—
—
0
1,5
Хроническое
0,1 5 • 10’2 3,3 • 10'2 2,5 ■ Ю"2 1,7 - 10"2 8,3 ■ 10'2
7 • 10'
3,5 • 10'
2,3 ■ 10' 1,7 • 10' 1,15 • 10' 0,58 • 10'
—
—
0,37 0,39 0,52 0,64 0,73
1
0,7
Однократное
0,7
1,8 - 10"2
—
—
0
0,7
Фракционированное
7 • 10' 3,5 ■ 10' 7 • 10'
1,8 • 10'
1,8 • 10'
1,8 • 10'
100
20
10
1 1; 5 1; 10
0,42 ± 0,01
1
Однократное
1
1,8 • 10'
—
—
0
1
Фракционированное
0,1
1,8 • 10'
10
10
0,33 ±0,05
3
Однократное
3
0,39
—
—
0
3
Фракционированное
0,1 0,25 0,3 0,1 о,з
0,18 0,39 0,39 0,18 0,39
30
12
10
30
10
1
1
1
1 с
1 с
0,49 ± 0,04 0 0 0
'а — число клеток с хромосомными аберрациями при однократном облучении; Ь — то же, при фракционированном или хроническом облучении.
Эти факты можно рассматривать как подтверждение существования репарации первичных нарушений, ведущих к хромосомным перестройкам в клетках печени. Суточный интервал между двумя дозами фракционированного облучения достаточен для репарации всех обратимых повреждений: увеличение интервала до
229
Время после гепатэктомии, сутВремя после гепатэктомии, сутРис. 13.13. Динамика регенерации печени крыс (данные в процентах от исходной массы печени) после фракционированного локального облучения в суммарной дозе 33 Гр (3, 4) по сравнению с необлученным контролем(7, 2) (по Н.Л. Шмаковой, 1979):7, 3— сырая масса печени; 2, 4 — сухая масса печени; 10—15 животных на точкуРис. 13.13. Динамика регенерации печени крыс (данные в процентах от исходной массы печени) после фракционированного локального облучения в суммарной дозе 33 Гр (3, 4) по сравнению с необлученным контролем(7, 2) (по Н.Л. Шмаковой, 1979):7, 3— сырая масса печени; 2, 4 — сухая масса печени; 10—15 животных на точку10 сут не приводит к дальнейшему снижению числа аберрантных митозов.
Время после гепатэктомии, сут
Время после гепатэктомии, сут
Рис. 13.13. Динамика регенерации печени крыс (данные в процентах от исходной массы печени) после фракционированного локального облучения в суммарной дозе 33 Гр (3, 4) по сравнению с необлученным контролем
(7, 2) (по Н.Л. Шмаковой, 1979):
7, 3— сырая масса печени; 2, 4 — сухая масса печени; 10—15 животных на точку
Рис. 13.13. Динамика регенерации печени крыс (данные в процентах от исходной массы печени) после фракционированного локального облучения в суммарной дозе 33 Гр (3, 4) по сравнению с необлученным контролем
(7, 2) (по Н.Л. Шмаковой, 1979):
7, 3— сырая масса печени; 2, 4 — сухая масса печени; 10—15 животных на точку
Рассматриваемые результаты и выводы из приведенных экспериментов с хроническим и фракционированным облучением отнюдь не противоречат данным о консервации хромосомных повреждений, полученным в условиях, когда между облучением печени и первым митозом проходило более суток: возможно, что за это время репарация уже завершается и регистрируются только необратимые повреждения хромосом.
О реальности феномена восстановления хромосом в клетках
печени свидетельствует и отсутствие различий между однократным и фракционированным воздействием при облучении нейтронами [Куртис X., 1964], вызывающими, как известно, нерепари-
руемые повреждения.
Во всех работах с фракционированным и хроническим воздействием авторы исследовали восстановление при облучении покоящихся клеток печени, находящихся на стадии Go. Позднее были опубликованы данные Е. Коггла (1966) о пострадиационном восстановлении клеток печени на стадиях 5и 6\, причем более интенсивном, чем на стадии Go.
На рис. 13.13 приведены результаты экспериментов, выполненных в нашей лаборатории с целью изучения темпа регенерации печени после частичной гепатэктомии у интактных крыс и влияния на этот процесс облучения. В первой серии опытов область печени подвергали фракционированному локальному рентгеновскому облучению в суммарной дозе 33 Гр (по 5,6 Гр один раз в неделю в течение 6 нед). Установлено, что восстановление массы печени в контроле заканчивается к 5-м сут после операции, тогда как
Доза излучения, ГрДоза излучения, ГрРис. 13.14. Зависимость степени радиационного подавления регенерации печени крыс от дозы излучения:1 — сырая масса; 2 — сухая массаРис. 13.14. Зависимость степени радиационного подавления регенерации печени крыс от дозы излучения:1 — сырая масса; 2 — сухая масса
Доза излучения, Гр
Доза излучения, Гр
Рис. 13.14. Зависимость степени радиационного подавления регенерации печени крыс от дозы излучения:
1 — сырая масса; 2 — сухая масса
Рис. 13.14. Зависимость степени радиационного подавления регенерации печени крыс от дозы излучения:
1 — сырая масса; 2 — сухая масса
к этому сроку в опыте восстанавливается лишь 60% исходной массы. Во второй серии опытов была изучена зависимость степени радиационного подавления регенерации печени от дозы излучения. Для этого четыре группы крыс были подвергнуты локальному рентгеновскому облучению области печени в суммарных дозах 15,7; 19,6; 23,6 и 31,4 Гр соответственно по 3,14; 3,92; 4,72 и 6,28 Гр один раз в неделю в течение 5 нед. Темп регенерации при различных дозах определяли по массе регенерата на 4-е сут после операции. Установлено, что степень радиационного подавления скорости посттравматической регенерации
печени увеличивается с дозой излучения, и в исследованном интервале доз эта зависимость приближается к линейной (рис. 13.14).
Приведенные данные еще раз демонстрируют, что распределение тканей на радиочувствительные и радиоустойчивые весьма условно и во многом определяется избранным критерием. В частности, при использовании такого показателя, как интенсивность регенерации, печень может быть отнесена к достаточно радиочувствительным органам, хотя морфологические изменения в ней выявляются только при крайне высоких дозах излучения.
В то же время в печени можно наблюдать и явление репарации на клеточном уровне. Так, по данным И.В. Шиффер, при однократном облучении области печени крыс в дозе 10 Гр темп ее регенерации также был сильно подавлен, однако после хронического общего облучения животных в течение 30 сут при той же суммарной дозе 10 Гр скорость регенерации не отличалась от наблюдаемой в контроле.
В приведенных примерах на ряде мало обновляющихся тканевых систем продемонстрировано, что скрытое лучевое повреждение, длительное время сохраняемое в ткани, проявляется в подавлении 231
посттравматической регенерации, вызываемой не только сразу после облучения, но и через много месяцев после него.
С подавлением физиологической регенерации связана и способность тканей кумулировать эффект лучевого повреждения при длительном фракционированном облучении или при непрерывном облучении с малой мощностью дозы. Для обновляющихся систем суммация повреждения выражена гораздо в меньшей степени: при интенсивной физиологической регенерации поврежденные клетки успевают быстро элиминироваться и замещаться новыми, не поврежденными.
Важно обратить внимание на то, что консервация лучевых повреждений в слабо обновляющихся тканях не абсолютна. Некоторое ослабление эффекта облучения отмечали при длительных сроках между облучением и стимулированием регенерации механической травмой, особенно при умеренных дозах. Более отчетливо явления репарации обнаруживались в неполной суммации повреждающего действия при фракционированном облучении и при длительном облучении при малой мощности дозы. Эти результаты наблюдали в опытах на сухожилии, при резекции периферического нерва, образовании коллатеральных сосудов и особенно в опытах на регенерирующей печени.
Учитывая, что в исследованные сроки в указанных тканевых системах практически невозможно полное обновление клеток, которое могло бы объяснить восстановление регенерационной способности тканей замещением поврежденных клеток, наблюдавшиеся явления восстановления следует отнести частично к репарации лучевого повреждения на клеточном уровне.
Восстановление после лучевого поражения путем элиминации поврежденных клеток и репарации на клеточном уровне в большинстве случаев протекает одновременно и потому значение каждого из этих способов восстановления в отдельности учесть трудно.
Однако восстановление на клеточном уровне все же возможно изучать изолированно, но в ограниченный период времени, позволяющий гарантировать отсутствие роли элиминации клеток или их замещения. Очевидно, в интенсивно пролиферирующих тканях этот срок краток, в стабильных системах он неопределенно длителен, в слабо обновляющихся он относительно невелик. 232
РЕЗЮМЕ
В организме млекопитающих после облучения, наряду с деструктивными процессами, происходит и восстановление, осуществляемое на разных уровнях организации.
Одним из видов восстановления является пролиферация тканей критических органов за счет сохранивших жизнеспособность стволовых клеток костного мозга и кишечника. Наряду с пролиферацией происходит и репарация на клеточном уровне.
Восстановительные процессы в организме протекают в разных тканях с различной скоростью, что определяется присущим тем или иным органам и тканям уровнем физиологической пролиферации.
Наибольшая скорость восстановления наблюдается в активно пролиферирующих тканях. Репарация мало обновляющихся тканей протекает значительно медленнее.
Радиационные повреждения, возникающие в клетках мало обновляющихся тканей, длительное время сохраняются (консервируются) и легко выявляются при искусственном стимулировании клеточного деления, в частности, в процессе посттравматической регенерации.
Реализация всех типов восстановительных процессов в организме облегчается при фракционированном облучении и при уменьшении мощности дозы, однако во всех случаях восстановление не может быть абсолютным, некоторая доля повреждений может оставаться необратимой и участвовать в формировании отдаленных последствий.
И
ГЛ ABA
ЛУЧЕВАЯ БОЛЕЗНЬ ЧЕЛОВЕКА
Острая лучевая болезнь при однократном общем внешнем облучении — характерная картина лучевого поражения организма
Лучевые поражения при неравномерном облучении Хроническая лучевая болезнь
Классификация лучевой болезни
Отдельные клинические и лабораторные показатели лучевого поражения организма и их прогностическое значение Терапия острой лучевой болезни
Замещение утраты в критических системах клеточного обновления — основная задача патогенетической терапии Функциональная и симптоматическая терапия острой лучевой болезни
Под лучевой болезнью человека понимают определенный комплекс проявлений поражающего действия ионизирующих излучений на организм. Многообразие этих проявлений зависит от следующих факторов: вид облучения — общее или местное, внешнее или от инкорпорированных радиоактивных веществ (см. гл. 15); временной фактор — однократное, повторное, пролонгированное, хроническое облучение; пространственный фактор — равномерное или неравномерное облучение; объем и локализация облученного сегмента тела и поверхности кожи.
До 6 августа 1945 г., когда впервые было использовано атомное оружие, по существу не было достоверных сведений о клинической картине острой лучевой болезни человека, вызванной кратковременным общим воздействием ионизирующей радиации. В дальнейшем источниками информации стали такие события, как последствия различных аварий (подробно описаны десятки таких наблюдений), а также последствия, возникшие в результате применения общего облучения в лечебных целях, в частности, при терапии лейкозов.
В ставшей классической монографии А.К. Гуськовой и Г.Д. Бай- соголова «Острая лучевая болезнь человека» (1971) авторы приводят описание основных форм лучевого поражения человека и их патогенетическую классификацию, иллюстрируя изложение типичными историями болезни пострадавших (более поздние обзоры см. сноски 2—5).
С учетом материалов 11 -й гл. ниже будет рассмотрен типичный вариант лучевого поражения организма — острая лучевая болезнь (ОЛБ), возникшая в результате однократного тотального внешнего относительно равномерного облучения, а также коротко представлены другие формы лучевого поражения.
Острая лучевая болезнь при относительноравномерном облучении
Характерная черта ОЛБ — волнообразность клинического течения, в чем можно усмотреть своеобразную последовательность проявления поражения отдельных систем организма.
В течении ОЛБ различают три периода: период формирования, период восстановления и период исходов и последствий.
В настоящей главе будет проанализирован только первый период, а два других будут рассмотрены в последующих главах.
Период формирования ОЛБ можно четко разделить на четыре фазы: 1) общей первичной реакции; 2) кажущегося клинического благополучия (скрытая, или латентная, фаза); 3) выраженных клинических проявлений (фаза разгара болезни); 4) раннего восстановления.
Различают ОЛБ и по степени тяжести, определяемой в основном поглощенной дозой излучения.
Развернутый симптомокомплекс ОЛБ человека возникает при облучении в сроки от секунд до 3 суток в дозах, превышающих 1 Гр\ При меньших дозах отмечают преходящие реакции со стороны отдельных систем различной степени выраженности или клинические проявления вообще отсутствуют.
В диапазоне доз 1 —6 Гр различают три степени тяжести ОЛБ: ОЛБ I(легкой) степени (1—2 Гр); ОЛБ II(средней) степени (2—4 Гр); ОЛБ III (тяжелой) степени (4—6 Гр).
При дозах выше 6 Гр ОЛБ оценивают как крайне тяжелую, IV степени, выделяя переходную, кишечную, церебральную и токсемиче- скую формы. Две последние формы ОЛБ развиваются при дозах в несколько десятков Гр, причем гибель наступает в течение двух суток от тяжелейшего капилляротоксикоза, приводящего, в частности, к несовместимому с жизнью острому повышению внутричерепного давления.
Вероятность развития острой лучевой болезни той или иной степени тяжести четко связана не только с величиной, но и с мощностью дозы, уменьшаясь по мере пролонгирования облучения во времени.
При дозах 6— 10 Гр развивается переходная форма болезни, протекающая с тяжелым костномозговым синдромом и выраженным поражением кишечника, адекватное лечение может в редких случаях обеспечить выживание. При дозах 10—20 Гр возникает типичная форма кишечного поражения, заканчивающаяся смертельным исходом через 8—16 сут. При дозах 20—80 Гр развивается токсеми- ческое поражение с клиническими проявлениями в виде сосудистых расстройств и метаболических нарушений, смерть наступает на 4—7-е сут, поражение нервной системы носит вторичный характер. Наконец, при дозах выше 80 Гр возникает церебральная форма поражения (коллапс, судороги и др. неврологические расстройства), завершающаяся смертью в первые часы — три дня.
Критической системой, степень поражения которой определяет тяжесть и исход ОЛБ при дозах до 10 Гр, является система кроветворения и,в первую очередь^костный мозг. Рассмотрим эту наибо-
1 Здесь и далее имеется в виду воздействие у-излучения. При облучении другими видами радиации учитываются их качество, ОБЭ и другие параметры.
236
лее типичную форму ОЛБ, при которой четко проявляются основные патогенетические закономерности периода формирования и его отдельных фаз.
ФАЗА ПЕРВИЧНОЙ ОБЩЕЙ РЕАКЦИИ
Первичная реакция организма человека возникает в зависимости от дозы в первые минуты — часы и проявляется во всех случаях при дозах облучения, превышающих 2 Гр. Появляются тошнота, рвота, усиливающиеся после приема жидкости, исчезает аппетит. Иногда ощущается сухость и горечь во рту. Пострадавшие испытывают чувство тяжести в голове, головную боль, общую слабость, иногда сонливость. Продолжительность фазы 1—3 дня.
Наибольшее диагностическое, а в некоторых случаях и прогностическое значение имеет время появления тошноты и рвоты, а также наличие и продолжительность диспептического синдрома, увеличение и отечность слюнных желез, гиперемия кожи. У лиц, наиболее тяжело пострадавших, первичная реакция возникает через 0,5—3 ч и продолжается в течение 3—4 дней.
Неблагоприятными в прогностическом отношении признаками первичной реакции, предопределяющими очень тяжелое течение болезни (а следовательно, свидетельствующими о суммарной дозе излучения > 10 Гр), являются: развитие шокоподобного состояния с падением артериального давления, кратковременная потеря сознания, субфебрильная температура, понос.
На участках кожи, подвергшихся облучению в дозах 6—10 Гр, возникает преходящая гиперемия, иногда с отеком. Выявляются признаки легких рефлекторных нарушений (асимметрия сухожильных рефлексов), усиление дермографизма, лабильность кожных вазомоторных реакций. Как показали экспериментальные исследования Ю.Г. Григорьева, изменения электроэнцефалограммы имеют рефлекторную природу, так как возникают независимо от того, облучается голова или конечности. В периферической крови в первые сутки после облучения наблюдается нейтрофильный лейкоцитоз со сдвигом влево, а также абсолютная и относительная лимфопения.
В пунктате костного мозга удается обнаружить четкие изменения, более заметные на 2-3-и сут: уменьшение общего числа миело- кариоцитов, снижение митотического индекса и исчезновение молодых генераций клеток. При цитологическом исследовании костного мозга человека, так же как и у животных, дегенеративные изменения могут быть обнаружены уже в первые часы после облучения. Ха-
237
рактерно появление аберраций в лимфоцитах костного мозга и периферической крови.
Из биохимических изменений можно отметить при дозах > 4 Гр повышение в крови уровня сахара и билирубина и снижение содержания хлоридов крови, а также аминоацидурию (вследствие повышенного распада белка разрушающихся клеток) и гиперами- лаземию в результате поражения слюнных желез.
Клинические проявления первой фазы ОЛБ являются не только следствием прямого повреждения радиочувствительных систем (лимфопения, задержка клеточного деления, уменьшение числа или исчезновение молодых форм кроветворных клеток, а возможно, и аминоацидурия), но свидетельствуют и о наличии преходящих, вторичных ранних сдвигов в нервно-регуляторных и гуморальных взаимоотношениях.
Лишь в крайне тяжелых случаях возникают кратковременные нарушения сознания, неспособность удержать позу. Первичная реакция наблюдается у некоторых видов животных. Наиболее типичны ее проявления у собак. Кролики погибают «под лучом» при дозах 12—15 Гр. Первичная реакция на облучение у мышей и крыс внешне менее выражена, возможно, в связи с отсутствием у них рвотного центра.
ФАЗА КАЖУЩЕГОСЯ КЛИНИЧЕСКОГО БЛАГОПОЛУЧИЯ
Через 2—4 дня симптомы первичной реакции исчезают, и самочувствие больных улучшается или даже нормализуется. Болезнь вступает во вторую фазу, называемую скрытой или латентной стадией ОЛБ, из-за отсутствия клинически видимых признаков болезни.
Продолжительность латентной фазы зависит от тяжести поражения (дозы излучения) и составляет у человека 30 сут. При очень тяжелых формах поражения (при дозах 10 Гр) она вообще отсутствует.
Из клинических признаков уже во время скрытой фазы отмечают выпадение волос (если доза превышает эпиляционную), неврологическая симптоматика постепенно сглаживается.
Благополучие является лишь клиническим понятием. При исследовании крови в это время обнаруживается уже в ранние сроки лимфопения, в конце скрытой фазы тромбоцитопения, а также снижение числа нейтрофилов и ретикулоцитов.
В костном мозге аплазия ярко выражена уже в первые дни, на 2—3-й неделе при цитопении появляются первые признаки реге- 238
нерации в костном мозге. В этот же период отмечается и подавление ранних стадий сперматогенеза, может наблюдаться выпадение цикла месячных.
ФАЗА ВЫРАЖЕННЫХ КЛИНИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЙ
Спустя 1—4 нед после облучения самочувствие больных вновь ухудшается, нарастает слабость, повышается температура, увеличивается скорость оседания эритроцитов (СОЭ). Латентная фаза заболевания сменяется фазой разгара болезни. Наиболее типичны для нее инфекционные осложнения, протекающие на фоне длящегося более двух недель агранулоцитоза. Вместе с возможными проявлениями кровоточивости они представляют основную угрозу для жизни больных в этот период.
Морфологический состав крови в фазе разгара преимущественно состоит из лимфоцитов, все остальные элементы белой крови представлены единичными клетками или исчезают совсем. Это приводит к относительному лимфоцитозу при абсолютной лимфопении. К концу фазы (а при больших дозах и выраженном геморрагическом синдроме — раньше) выявляется и начинает прогрессировать анемия. При крайне тяжелых поражениях наблюдается летальный исход при глубокой аплазии кроветворной ткани. В остальных случаях в это время в костном мозге и лимфатических узлах, наряду с продолжающейся деструкцией, уже отчетливо выражены признаки регенерации.
В период разгара наблюдается также гипопротеинемия и гипо- альбуминемия, повышенное содержание основного азота и снижение количества хлоридов. Отражением нарушения обмена веществ и диспептических расстройств (потери аппетита и поносов) является резкое снижение массы тела. У больных, получавших лечение, третья фаза заболевания продолжается от одной до трех недель, а затем в случаях с благоприятным исходом переходит в четвертую фазу — восстановление.
ФАЗА РАННЕГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Начало фазы восстановления характеризуется нормализацией температуры, улучшением самочувствия, появлением аппетита, восстановлением сна. Исчезает кровоточивость, ослабевают дис- пептические явления, восстанавливается масса тела. Происходит постепенная нормализация показателей крови, которая у выживающих больных начинается еще в разгаре заболевания как след-
239
СОЭ, мм/ч Число клеток л-103 Число клеток л -103 Число клеток л-103
Лейкоциты
11
10
16000
Дни
СОЭ
3 4 5 6 12
Месяцы
10 Годы
о
X у
10 20 30 40 50 60 70 3 4 5 6 12
Дни
Месяцы
5 10
Годы
ствие регенерации костного мозга. Уже тогда в периферической крови появляются ранние формы клеток — ретикулоциты и молодые лейкоциты, вплоть до миелобластов, и регенераторные формы тромбоцитов. Однако анемия сохраняется и достигает максимума к 5—6-й нед, затем число эритроцитов начинает увеличиваться и через 2—3 мес приходит к исходному или пограничному уровню.
Нормализация морфологического состава крови является отражением бурных регенеративных процессов в системе кроветворения, в чем можно убедиться при исследовании костного мозга и динамическом анализе миелограмм. Нормализуются в этот период и биохимические показатели крови и мочи.
Продолжительность фазы восстановления 2—2,5 мес. К концу 3-го мес от начала заболевания обычно самочувствие становится удовлетворительным, хотя отдельные проявления еще имеют место: рост волос возобновляется только к 4-му мес, сперматогенез восстанавливается лишь через 4—6 мес.
Фаза раннего восстановления характеризуется завершением основных процессов непосредственного восстановления.
В качестве примера А.К. Гуськова и Г.Д. Байсоголов приводят сведения о закончившейся благоприятным исходом ОЛБ третьей степени тяжести у больной 3. Не зная о наличии в соседнем помещении мощного у-нейтронного источника, 3. в течение 30 мин находилась от него на расстоянии ~ 6,5 м. В результате она подверглась общему неравномерному у-n облучению в дозе 980 бэр, перенесла типичную ОЛБ третьей степени с довольно полным клиническим восстановлением и выписана из стационара на 68-е сут. Наблюдение за пострадавшей 3. было продолжено на протяжении 40 лет. Больная впоследствии приобрела специальность мед. лаборанта. Вышла замуж. Имеет здорового сына и внучку. Происходило медленное созревание катаракты, которая успешно прооперирована на 38-м году наблюдения.
Рис. 14.1 иллюстрирует динамику показателей крови больной 3. за весь период наблюдения: хорошо видны типичные изменения морфологического состава крови в острый период болезни: начальный нейтрофильный лейкоцитоз, абортивный подъем числа нейтрофильных лейкоцитов через две недели, ранняя и длительная лимфопения, типичная кинетика тромбоцитов, красного ростка и СОЭ.
Рис. 14.1. Динамика показателей крови больной 3. в первые 10 лет наблюдения■
Рис. 14.2. Продолжительность латентной фазы в зависимости от дозы равномерного (7) и неравномерного (2) общего облучения человека (по А.К. Гуськовой, Г.Д. Байсоголову, 1971)
Общая продолжительность периода формирования ОЛБ и его отдельных фаз определяются лишь частично индивидуальной радиочувствительностью пострадавшего, а в основном — дозой. Эту зависимость на примере латентного периода иллюстрирует рис. 14.2: с увеличением дозы от 1 до 10 Гр скрытый период укорачивается с 30 до 2—3 сути практически исчезает при дозах > 10 Гр.
В 1981 г. А.Е. Барановым с соавторами был описан типичный случай острой лучевой болезни, развившейся после общего равномерного у-облучения (60Со) в дозе ~ 3 Гр. Клиническая картина, как и в только что рассмотренном случае, формировалась в основном за счет острой недостаточности костного мозга, сопровождающейся инфекционными осложнениями, а также поражением слизистой оболочки рта и глотки в разгаре болезни. Раннее применение средств и методов профилактики и лечения эндогенной инфекции способствовало стойкому выздоровлению пострадавшего.
Знакомство с проявлениями типичной формы острой лучевой болезни человека убеждает, что хотя симптоматика заболевания сложна (это обусловлено вовлечением в процесс всех систем организма), наиболее страдающей является система кроветворения. Механизмы ее поражения, рассмотренные в гл. 11 на экспериментальных моделях, применимы и для человека; различия во времени проявления отдельных нарушений объясняются свойственными человеку временными параметрами соответствующих компар- тментов системы клеточного обновления костного мозга, которые определяют характерную для него кинетику клеточных популяций в системе кроветворения.
Ниже приведена схема относительной радиочувствительности клеток крови (рис. 14.3), иллюстрирующая, с одной стороны, последствия радиационного поражения системы клеточного обновления костного мозга (см. гл. 12), а с другой — хорошо объясняющая типичную картину нарушения кроветворения, в частности его проявления в периферической крови (см. рис. 14.1).
242
зобная железазобная железаРодоначальницаРодоначальницавсех кровяных клетоквсех кровяных клетокКрасный костный мозгКрасный костный мозг• 1О 2© 2 Ц 4• 1О 2© 2 Ц 4Рис. 14.3. Относительная радиочувствительность клеток крови и их предшественников (по Д. Беренсу, Дж. Кронкайту, 1951):/ — радиочувствительные клетки (исчезают быстро); 2 — относительно радиочувствительные клетки (исчезают медленнее); 3— относительно радиорезистентные клетки (могут заканчивать созревание); 4 — радиорезистентные клетки (заметно не повреждаются)Рис. 14.3. Относительная радиочувствительность клеток крови и их предшественников (по Д. Беренсу, Дж. Кронкайту, 1951):/ — радиочувствительные клетки (исчезают быстро); 2 — относительно радиочувствительные клетки (исчезают медленнее); 3— относительно радиорезистентные клетки (могут заканчивать созревание); 4 — радиорезистентные клетки (заметно не повреждаются)
зобная железа
зобная железа
Родоначальница
Родоначальница
всех кровяных клеток
всех кровяных клеток
Красный костный мозг
Красный костный мозг
• 1О 2© 2 Ц 4
• 1О 2© 2 Ц 4
Рис. 14.3. Относительная радиочувствительность клеток крови и их предшественников (по Д. Беренсу, Дж. Кронкайту, 1951):
/ — радиочувствительные клетки (исчезают быстро); 2 — относительно радиочувствительные клетки (исчезают медленнее); 3— относительно радиорезистентные клетки (могут заканчивать созревание); 4 — радиорезистентные клетки (заметно не повреждаются)
Рис. 14.3. Относительная радиочувствительность клеток крови и их предшественников (по Д. Беренсу, Дж. Кронкайту, 1951):
/ — радиочувствительные клетки (исчезают быстро); 2 — относительно радиочувствительные клетки (исчезают медленнее); 3— относительно радиорезистентные клетки (могут заканчивать созревание); 4 — радиорезистентные клетки (заметно не повреждаются)
У человека, так же как и у животных, наблюдающаяся в первые сутки лимфопения объясняется быстрой апоптотической гибелью лимфоцитов и их предшественников; одновременно погибают и малодифференцированные клеточные предшественники других кроветворных ростков (показано на гемограммах костного мозга) — все они отличаются наиболее высокой радиочувствительностью (см. рис. 14.3). Меньше повреждаются относительно более зрелые элементы, для которых характерна гибель в нескольких поколениях потомков облученной клетки (см. гл. 7). Глубина и стойкость таких повреждений усиливается с увеличением дозы излучения..
Массовая гибель молодых клеток в кроветворных органах, а также временная задержка клеточного деления в начальные сроки существенно не отражаются на морфологическом составе периферической крови (кроме лимфоцитов, погибающих вскоре после воздействия). Действительно, как показано на рис. 14.1, в первые 4—5 сут число нейтрофилов, тромбоцитов и эритроцитов практически не снижается. В дальнейшем, в результате естественного вымирания зрелых клеток крови, а также резкого снижения резерва морфологический состав крови обедняется. Продолжительность лейкопении, а в последующем и анемии^зависит от выраженности поражения кроветворных органов.
Исход поражения организма, по существу, определяется балансом между производством клеточной «продукции» и ее наличием в зрелом функционирующем состоянии.
Понимание патогенетических механизмов поражения предопределяет тактику лечения острой лучевой болезни, в частности, соответствующие меры компенсации поражения кроветворения. Следует помнить, однако, что, несмотря на принципиальное сходство проявлений острого радиационного поражения у всех животных, острая лучевая болезнь человека имеет свои особенности. Попытки моделировать радиационный синдром человека на других млекопитающих с целью более полного исследования и проверки возможностей терапии показали, что с достаточной полнотой его воспроизвести невозможно [ФлиднерТ., 1974]. Во-первых, дозы, достаточные для развития костномозгового синдрома у человека (2—3 Гр), не вызывают серьезных нарушений кроветворения у мышей, кроликов и крыс. Сходный синдром у этих видов животных развивается только после облучения соответственно в дозах 6, 7 и 8 Гр. Во-вторых, между человеком и животными наблюдаются большие различия во времени проявления типичных симптомов. У человека костномозговой синдром развивается на 4—5-й нед, а у крыс, кроликов, мышей, обезьян, морских свинок, собак и свиней — на 2—3-й нед после облучения. В-третьих, не совпадают и клинические симптомы, возникающие у животных и человека в период разгара болезни. У крыс, мышей, кроликов и морских свинок при среднелетальных дозах гранулоцитопения отмечается очень рано после облучения и находится уже на пути к восстановлению в период, когда тромбоцитопения только достигает наибольшей выраженности. Размеры тела человека приводят к тому, что облучение не является однородным. В некоторых ситуациях это накладывает отпечаток на клинические проявления, особенно 244
когда величина дозы для отдельных сегментов тела различается в 2,5—3 раза.
Таким образом, ни у одного животного не удается вызвать радиационный синдром, в точности совпадающий с его проявлениями у человека. Поэтому при разработке лечебных мероприятий необходимо руководствоваться реальной ситуацией, имеющей место в клинике лучевой болезни человека.
Острые лучевые пораженияпри неравномерном облучении
Рассмотренный вариант типичной ОЛБ при общем относительно равномерном внешнем облучении у человека встречается довольно редко. Он воспроизводится в опытах на мелких лабораторных животных, а при создании специальных условий (мощный источник, большое поле, многостороннее облучение) и на крупных животных. У человека такого рода поражения встречались лишь в результате взрывов атомных бомб и при некоторых редких авариях. В большинстве таких случаев, а тем более при терапевтическом облучении,возникают те или иные типы неравномерного воздействия, определяемые радиационной ситуацией и, прежде всего, облучаемым объемом и проникающей способностью излучения.
Рассмотрим два крайних случая неравномерного облучения: 1) общее неравномерное облучение; 2) преимущественно местное (локальное) облучение. В первом из них неравномерность поглощенной дозы создается в результате ослабления проникающего излучения по глубине или частичной защитой сегментов тела, во втором — вследствие экранирования (случайного или специального) основной массы тела или в результате локального радиационного воздействия.
Между этими крайними примерами встречаются самые различные промежуточные варианты и их сочетания. Соответственно следует ожидать и многообразия клинических форм возникающих поражений.
Систематизация представлений об основных вариантах лучевых поражений организма, возникающих при неравномерном облучении, весьма важна для разработки методов лучевого лечения злокачественных новообразований, в частности, при крупнопольном облучении, а также для прогностической оценки последствий аварий, возникающих в производственных условиях или вследст-
вие возможного облучения космонавтов при солнечных вспышках.
Единственно правильным подходом к изучению разнообразных форм острых поражений при неравномерном облучении является оправдавшая себя концепция критического органа, связывающая рассматриваемый эффект с дозой излучения, поглощенной в облучаемом объеме.
Напомним, что под критическими понимают ткань, орган или систему, ответственные за исход заболевания при данной дозе излучения или форме лучевого поражения.
Поэтому при достаточно больших дозах (> 10 Гр) критическими могут оказаться не только органы кроветворения, как при общем облучении, но и другие органы и системы организма. Например, при внешнем воздействии слабо проникающими излучениями (р-частицы, рентгеновское излучение низкой энергии) критическим органом оказывается кожа, площадь и степень поражения которой определяют исход поражения. Значение поражения кожи от p-излучения в исходе заболевания было продемонстрировано у пострадавших в результате аварии на ЧАЭС, подвергшихся воздействию газовой фазы выброса из поврежденного реактора.
В литературе приводились примеры поражения человека при резко неравномерном или преимущественно локальном облучении в различных, иногда очень больших дозах (30—50 Гр). При этом критическими оказывались самые различные органы и ткани: отдельные петли кишечника, мягкие ткани, нервная ткань (нервный пучок сердца), сердце, легкое и др. Летальный исход в таких случаях развивался от перитонита, сепсиса, тяжелого расстройства гемодинамики и других причин, причем гибель наступала раньше, чем выявлялось поражение кроветворения, или независимо от него. Следовательно, чем тщательнее проанализирована геометрия положения пострадавшего лица по отношению к источнику излучения (с учетом количественных и временных характеристик проявления поражения в тех или иных органах и их значения для исхода ожидаемого заболевания), тем правильнее может быть предсказана форма этого поражения, точнее оценен возможный прогноз и определена тактика терапии. Своеобразие диагностических и прогностических критериев в связи с особенностями пространственного распределения дозы продемонстрировано в упоминавшемся обзоре [Барабанова А.В. и др., 1986]. Это может быть проиллюстрировано и на приводимом ниже примере наблюдения А. К. Гуськовой и Г.Д. Байсоголова (1971), когда неравномерность облучения касалась значительных сегментов тела. 246
Пострадавшая К. в течение менее 1 с подверглась крайне неравномерному у-нейтронному облучению в средней дозе 5,8 Гр (у-лучи — 1,1 Гр + нейтроны — 4,7 Гр), среднетканевая доза для левой половины тела достигала 10 Гр (в поверхностном (до 5 см), слое — 16—20 Гр), для правой половины тела — 2,8 Гр.
Первичная реакция развилась в первые два часа после облучения: уже через 5—10 мин появилось чувство «распирания» во всем теле, а затем — тошнота, частая рвота, слабость и онемение кожи левой половины туловища. С конца первых и на протяжении 25 последующих суток держалась повышенная температура (38 °C), одновременно проявилась и нарастала симптоматика поражения кожи лица, слизистых полости рта, носа, а позднее желудочно-кишечного тракта и кожи конечностей. С 10-х по 20-е сут. картина поражения кожных покровов и слизистых была наиболее тяжелой — отмечались множественные пузыри, эрозии, точечные кровоизлияния, сильно болезненные воспаления век и эпиляция волос, резкая потеря массы тела — 8 кг за 24 сут.
С 24-х сут температура снизилась до нормальной, самочувствие стало быстро улучшаться, началась эпителизация эрозий в полости рта и заживление кожных поражений, на 3-м мес возобновился рост волос. Одновременно началось формирование индура- тивного отека пораженных тканей всей левой половины тела. Вскоре пострадавшая была выписана из стационара при наличии неприятных ощущений (сухости) в полости рта, стягивающих болей в левой половине грудной клетки и левых конечностях, а также чувства тяжести в левой половине головы. По мере исчезновения отека, начала выявляться глубокая атрофия подкожной жировой клетчатки и мышц в пораженных участках, причем в левой височной области рост волос на протяжении 10 лет не возобновлялся.
В периферической крови этой больной (рис. 14.4) уже через 4 ч после облучения наблюдались нейтрофильный (93,5%) лейкоцитоз (14 900/мм3) и глубокая лимфопения (2,5 %). На 4-е сут количество лейкоцитов стало уменьшаться и к 17-м сут составляло 375 клеток/мм3. Несмотря на столь раннее и быстрое снижение, число лейкоцитов в последующем не только не уменьшалось, а постепенно увеличивалось и к 20—27-м сут достигло исходного уровня — 4000/мм3 (пострадавшая до заболевания имела лейкопению — 3800/мм3). Аналогичную динамику (крутое и раннее падение с последующим быстрым восстановлением) претерпели и другие показатели периферической крови.
Анализируя это наблюдение, авторы отмечают, что нетипичное течение и исход ОЛ Б были обусловлены крайней неравномер- 247
Число клетокЧисло клеток Число клеток Число клеток л-103 Число клеток л-103
л• 104л•105л • 103
Рис. 14.4. Динамика показателей крови больной К. (период наблюдения — 5 лет)
мм/ч
Продолжение рис. 14.4
ностью облучения, при котором раннее снижение всех форменных элементов крови было обусловлено быстрым опустошением облученных в дозах 10—20 Гр больших объемов костного мозга, временно выключенных из системы кроветворения. Наряду с этим наличие мало пострадавших участков кроветворения, подвергавшихся небольшому радиационному воздействию, способствовало сначала поддержанию (стабилизации) числа форменных элементов на определенном, хотя и сниженном уровне, а затем, с третьей недели, его быстрому восстановлению, так как к этому времени началась регенерация и в более пораженных участках. Это было подтверждено данными трепанобиопсии обоих крыльев таза.
Правильная клинико-радиобиологическая оценка описанной формы лучевого поражения с учетом тканево-дозиметрической геометрии позволила наметить и осуществить адекватную лечебную тактику. Основное внимание было сосредоточено на симптоматической терапии пораженных участков и предупреждении их дополнительного инфицирования, а стойкое восстановление кроветворения происходило спонтанно без применения специальных средств, за счет сохранившегося собственного клеточного фонда. Наблюдение за пациенткой было продолжено в течение 20 лет. Непосредственной причиной летального исхода (при сохранении тяжелых односторонних лучевых поражений — лимфостаза, ин- дуративного отека, эпиляции) был геморрагический инсульт.
Особенности радиационной обстановки, возникшей в результате аварии на ЧАЭС, обусловили развитие своеобразной формы ОЛ Б, возникшей от сочетания общего относительно равномерного у-облучения всего тела с 0-облучением обширных участков кожного покрова и частично с ингаляционным поступлением смеси нуклидов (в основном радиоактивного йода и цезия); значимость последнего (за исключением 2-х случаев) оказалась практически несущественной.
Детальный анализ возникающих поражений и их лечения приведен в публикациях, упомянутых в начале данной главы. Здесь бу-
249
sof os 3 о es к e;sof os 3 о es к e;Рис. 14.5. Кривые зависимости доза-эффект для числа лимфоцитов периферической крови в разные дни (цифры у кривых) после облучения (по А.К. Гуськовой и др., 1987):D = а — b 1g у — аналитическое выражение; а, b — коэффициенты этой зависимостиРис. 14.5. Кривые зависимости доза-эффект для числа лимфоцитов периферической крови в разные дни (цифры у кривых) после облучения (по А.К. Гуськовой и др., 1987):D = а — b 1g у — аналитическое выражение; а, b — коэффициенты этой зависимости
s
of o
s 3 о e
s к e;
s
of o
s 3 о e
s к e;
Рис. 14.5. Кривые зависимости доза-эффект для числа лимфоцитов периферической крови в разные дни (цифры у кривых) после облучения (по А.К. Гуськовой и др., 1987):
D = а — b 1g у — аналитическое выражение; а, b — коэффициенты этой зависимости
Рис. 14.5. Кривые зависимости доза-эффект для числа лимфоцитов периферической крови в разные дни (цифры у кривых) после облучения (по А.К. Гуськовой и др., 1987):
D = а — b 1g у — аналитическое выражение; а, b — коэффициенты этой зависимости
дут лишь кратко рассмотрены представляющие познавательный интерес типичные стороны этих поражений и их терапия.
Примерно из 600 человек, работавших на ЧАЭС в момент аварии 26.04.86 г., у 237 чел. возникло предположение о возможности массированного облучения и развития ОЛБ. Они были отобраны специальной медицинской бригадой в сроки 12—36 ч. Из них 114 человек с предположением о наличии ОЛБ были направлены в специализированный стационар Москвы, а остальные в Киев.
Ниже кратко изложен опубликованный А.К. Гуськовой с соавторами (см. сноски 2—4 на с.235) анализ наблюдений за 114 больными, находившимися в Московском стационаре со вторых суток после поражения.
Основными критериями при первичной диагностике и определении очередности госпитализации были: срок возникновения и интенсивность тошноты и рвоты, первичной эритемы кожи и слизистых, а также число лимфоцитов периферической крови ниже 1 • 109/л в 1-е сут после облучения. О высокой специфично- 250
сти приведенных показателей первичного скрининга на ОЛБ свидетельствует тот факт, что диагноз этот в последующем был подтвержден у 134 больных, обследованных в стационаре. Главной диагностической задачей в первые дни была оценка степени тяжести костномозгового синдрома по дозе внешнего у-облучения. Оценка дозы была проведена путем подсчета числа лимфоцитов периферической крови, числа аберраций хромосом в культуре этих клеток или в препаратах костного мозга. На рис. 14.5 приведены кривые и аналитические выражения зависимости числа лимфоцитов от дозы излучения на каждые из первых 9 сут.
Подсчет лимфоцитов (и в меньшей мере, в наиболее тяжелых случаях — числа клеток с аберрациями хромосом) позволил разделить пострадавших на четыре группы по ожидаемой степени тяжести костномозгового синдрома, определявшегося в основном дозой внешнего у-облучения: I степень (0,8—2,1 Гр) — 31 чел., II (2,0—4,0 Гр) — 3 чел., III (4,2 —6,3 Гр) — 21 чел. и IVстепень (от 6 до 16 Гр) — 20 чел. Кроме того, были выделены лица, доза облучения которых оценивалась меньше 1 Гр, а развернутого синдрома ОЛБ не отмечалось.
Особое внимание в первые дни уделяли выявлению лице предположением о крайне тяжелой (необратимой) степени миелоде- прессии, требовавшей неотложного решения о трансплантации костного мозга (ТКМ). Принадлежность к этой группе определяли наличием следующих признаков: рвота в первые полчаса, понос в первые 1—2 ч и увеличение околоушных желез в течение 24—36 ч после облучения, выраженность и стойкость лимфопении. Как показал ретроспективный анализ, показания к ТКМ были расширены. При этом недооценивался полиорганный характер поражения (в частности, — кожи). Это не дало возможности выявить эффект ТКМ, а в ряде случаев существенно отягчило клиническое течение.
Летальные исходы имели место при ОЛБ III (7 чел.) и IV (19 чел.) степенях тяжести. Одна больная со II степенью тяжести умерла на 96-е сут болезни от ишемического инсульта на фоне восстановившейся картины крови. Один больной умер от комбинированного терморадиационного поражения на 11 -й день в Киеве.
Результаты многочисленных биохимических и иммунологических показателей оказались существенно менее информативными
Рис. 14.6. Реальная кривая динамики числа нейтрофилов (/)
и прогнозируемая (стандартная) кривая (2) для общего у-облучения в дозе 3 Гр (по А.К. Гуськовой и др., 1987)
в отношении собственно радиационного поражения, но были значимы для оценки его осложнений.
Чрезвычайно важной оказалась возможность клинического уточнения дозы в первые дни после облучения на основании анализа динамики числа нейтрофилов и тромбоцитов с помощью стандартных кривых. В качестве примера на рис. 14.6 приведены реальные кривые динамики нейтрофилов больного, доза облучения которого, оцененная по среднему числу лимфоцитов с 4 по 7-е сут, составила 2,4 Гр, а по числу клеток с аберрациями — 3,3 Гр, что практически совпадает с прогнозируемой стандартной кривой для дозы 3 Гр.
Клинические проявления костномозгового синдрома определялись в последующем глубиной и продолжительностью панцитопении — нейтрофилы (0,1—0,5) • 109/л, тромбоциты (1,0—2,0) • 1010/л. Они в основном выражались в лихорадке, инфекционных осложнениях, незначительных петехиальных кровоизлияниях на коже и слизистой рта.
Отличительную черту поражения людей в данной аварийной ситуации, как упоминалось, составили местные лучевые пораже-
ния (МЛП), вызванные воздействием p-излучения и явившиеся у 58 чел. частью общего клинического синдрома ОЛБ. В связи с этим данная ситуация должна рассматриваться как вариант крайне неравномерного (по глубине) распределения поглощенной дозы, когда облучение кожи в 10—20 раз превышает дозу облучения костного мозга. Радиационные поражения кожи охватывали у разных больных от 1 до 100% поверхности тела.
Больные, имевшие относительно ранние (с 5—6 сут) распространенные местные лучевые p-поражения II—III степени, были обречены. При этом развивался вначале токсемический синдром с появлением вторичной эритемы кожи на ранее непораженных участках, а затем почечно-печеночная недостаточность и энцефа- лопатическая кома. При указанной клинической картине погибли 18 из 58 больных с лучевыми ожогами. У 8 поражению кожи сопутствовал кишечный синдром, у 4 — пульмонит, а у двух имели место комбинированные терморадиационные поражения кожи.
Одним из наиболее грозных проявлений ОЛБ был кишечный синдром, который развился в период с 4 по 8-е сут, что свидетельствовало об облучении в дозе не менее 10 Гр; все эти больные погибли в первые три недели после облучения.
У 8 больных с острой лучевой болезнью III—IV степени тяжести за несколько суток до смерти развился острый интерстициальный пневмонит, сочетавшийся у части из них с крайне тяжелыми поражениями кожи и кишечника.
У 80 больных имел место орофарингеальный синдром по типу острого лучевого мукозита рта и глотки. Легкие его проявления (I—II степень тяжести) характеризовались отеком и десквамацией слизистой щек и языка и разрыхленностью десен. При III—IV степени тяжести развивались эрозии и язвы, резкая боль, выделение в большом количестве слизи резиноподобной консистенции. Первые симптомы появлялись в период с 3 по 9-е сут (в зависимости от степени тяжести); заканчивался процесс в среднем к 20-му дню.
Крайняя тяжесть и сочетание разнообразных тяжелых синдромов, т. е. полиорганный характер поражения затруднял оценку непосредственных причин смерти в каждом отдельном случае. А. К. Гуськова и соавторы отмечают, что только у небольшого числа больных летальный исход был следствием необратимой миело- депрессии и инфекционных осложнений, у части пострадавших самостоятельное или ведущее значение приобретал интерстициальный пневмонит, примерно в 2Д случаев смерть наступила от обширного поражения кожи и его осложнений (почечно-печеночной недостаточности, тяжелой интоксикации и энцефалопатии).
Хроническая лучевая болезнь
До последнего времени в литературе встречается неправильное определение хронической лучевой болезни (ХЛБ), к которой часто относят отдаленные последствия острого облучения, а у животных — поражения, возникающие при повторных облучениях. Например, в монографии М. Тюбианы и соавторов (1969) под ХЛБ понимают развивающиеся в отдаленные сроки после облучения (в том числе и острого) лейкоз и различные злокачественные опухоли. Бытует также неправильный термин «хронизация в течении ОЛБ».
Между тем ХЛБ — это самостоятельная нозологическая форма лучевого поражения, развивающаяся в результате продолжительного облучения в дозах, суммарно достигающих 1,0—3,0 Гр при интенсивности облучения (мощности дозы) порядка 0,001—0,003 Гр/сут. Сроки развития проявлений ХЛБ зависят от мощности дозы и варьируют от нескольких месяцев до 1 —3 лет.
ХЛБ, как и ОЛБ, характеризуется фазовым течением и особенностями проявления, связанными с неравномерностью облучения, а также возможным развитием отдаленных последствий.
Большая заслуга в выделении, классификации и принципах диагностики этой нозологической формы лучевого поражения, имеющего чаще всего профессиональную природу, принадлежит А.К. Гуськовой и Г.Д. Байсоголову, многолетние исследования которых суммированы в неоднократно упоминаемой монографии, явившейся, по сути, первым обобщением данного вопроса в мировой литературе. Позднее эти исследования были продолжены коллективом, возглавляемым Н.Д. Окладниковой.
ХЛБ при внешнем облучении представляет собой сложный клинический синдром с вовлечением ряда органов и систем, периодичность течения которого связана с динамикой формирования лучевой нагрузки, т. е. с продолжением или прекращением облучения.
Своеобразие ХЛБ состоит в том, что в активно пролиферирующих тканях, благодаря интенсивным процессам клеточного обновления, длительное время сохраняется возможность морфологического восстановления тканевой организации. В то же время такие стабильные (в клеточно-кинетическом отношении) системы, как нервная, сердечно-сосудистая и эндокринная, отвечают на хроническое лучевое воздействие сложным комплексом функциональных реакций и крайне медленным нарастанием незначительных дистрофических изменений.
После прекращения облучения наступает период восстановления, характеризующийся преобладанием репаративных процессов в наиболее радиопоражаемых тканях, а также нормализацией (иногда не полной) функциональных нарушений в других системах.
Другой вариант ХЛБ обусловлен длительным облучением отдельных сегментов тела при местном внешнем воздействии или, что бывает чаще при облучении определенных систем, вызванном радиоактивными веществами с избирательным распределением (см. гл. 15). Пороговые величины доз излучения в этом случае зависят от их распределения в органах или сегментах тела. Они, как правило, значительно выше, чем при общем равномерном облучении. Клиническая картина определяется радиочувствительностью ткани и зоной преимущественного облучения (гипо- и дисфункция щитовидной железы — при поступлении радиойода, анемия от радиофосфора, апластическая анемия и опухоли костной ткани — при действии радия и т. д.). При ингаляционном поступлении некоторых радионуклидов (2 ги) и радиоактивных газов (232Th, 222Rn) или аппликации нуклидов на коже могут развиться отдаленные преимущественные изменения именно в этих участках: пульмонит и рак бронхов или дискератоз и рак кожи.
Профилактика ХЛБ состоит в строгом соблюдении нормативов и правил работы с радиоактивными источниками (см. гл. 25). Важным элементом в лечении ХЛБ является перевод работника в условия, соответствующие нормативным, или полное прекращение профессионального контакта с радиацией. Рациональное трудоустройство, как правило, позволяет сохранить трудоспособность.
Классификация, диагноз и прогнозлучевой болезни
Несмотря на очевидное многообразие лучевых поражений человека, все они могут быть сгруппированы по определенным классификационным признакам. Как и во всех остальных случаях патологии, это необходимо для изучения патогенеза заболевания и разработки общих принципов терапии.
На рис. 14.7 представлена классификация лучевой болезни, в основу которой положена величина дозы и ее распределение во времени, что позволяет разделить все поражения на две группы: острые и хронические, в каждой из которых, в свою очередь, можно вы- 255
Лучевая болезнь
Рис. 14.7. Классификация лучевой болезни человека
делить отдельные типы заболевания, определяемые особенностями распределения дозы в облучаемом объеме, его величиной и локализацией.
При изложении отдельных фаз периода формирования ОЛБ указывалось на диагностическое и прогностическое значение выраженности симптомов уже в фазе первичной реакции. Напомним, что к ним относят тошноту, рвоту, гиперемию кожи, нейтро- 256
фильный лейкоцитоз и лимфопению. На основании сопоставления этих признаков с дозиметрическими характеристиками радиационного воздействия можно ориентировочно оценить тип предполагаемого заболевания и его исход.
Наиболее надежными диагностическими и прогностическими признаками являются количественные показатели кроветворения, непосредственно обусловленные прямым повреждающим действием радиации. Кроме обычных гематологических методов оценки морфологического состава крови и костного мозга, используют цитогенетический анализ, а именно подсчет клеток с хромосомными аберрациями. Строгая зависимость между частотой аберраций и дозой излучения делает этот показатель надежным критерием тяжести поражения.
В табл. 14.1 приведены особенности проявления и ориентировочные исходы лучевой болезни разной степени тяжести. Однако они не дают возможности индивидуального прогнозирования заболевания.
Интересные рекомендации в этом отношении дают В. Бонд и соавторы, а также Д. Мерле и соавторы (Первая помощь при радиационных авариях. М. Медицина, 1975), предложившие различать четыре прогностические категории: 1) выживание невозможно; 2) выживание возможно; 3) выживание вполне вероятно; 4) выживание несомненно. Каждая из этих категорий связана с наиболее характерными клиническими и лабораторными признаками, хотя, разумеется, неизбежно и их перекрывание. Исходя из положения о том, что любое облучение человека оказывается в той или иной степени неравномерным, а также учитывая накопленный опыт, авторы предлагают четыре диапазона доз для каждой из упомянутых категорий и аргументируют их практическими наблюдениями.
Если доза облучения основной массы тканей тела достигает 5—6 Гр, то выживание невозможно, несмотря на медицинский уход и самую совершенную (на тот период — СПЯ) терапию.
Таблица 14.1.Краткая характеристика основных проявлений острой лучевой болезни человека при общем относительно равномерном облучении (по А.К. Гуськовой и др., 1985)
Доза излучения, Гр
Степень острой лучевой болезни
Начало проявления первичной реакции после облучения
Характер первичной реакции
Латентный период
Период разгара острой лучевой болезни
Изменение периферической крови в период разгара заболевания
Клиническая реакция в период разгара
Последствия облучения
1-2
Легкая
(I)
Через 2—3 ч; первичная реакция выражена не всегда (в 30% случаев)
Несильная тошнота с одно-, двукратной рвотой, стихает в день воздействия
До 4—5 нед.
На 5-7-й нед
Снижение числа лейкоцитов до 1,5—3 тыс/мм3, тромбоцитов — до 40—100 тыс. мм3, ускорение СОЭ до 10—25 мм/ч
Возможны астенические явления
Как правило, 100%-е выздоровление и при отсутствии лечения
2-4
Средняя
(П)
Через 1—2 ч; 70-80% пострадавших; длится до 1 сут.
Рвота 2—3 раза, слабость, недомогание, иногда субфебрильная температура
3—4 нед.
На 4-5-й нед
Снижение числа лейкоцитов крови до 0,5— 1,5 тыс/мм3, тромбоцитов — до 20—40 тыс/мм3; развивается агранулоцитоз, ускоряется СОЭдо 25—40 мм/ч
Возможны инфекционные осложнения; кровоточивость, астенический синдром
Выздоровление наступает у 100% при условии лечения
4-6
Тяжелая (Ш)
Через 20—30 мин; длится до 2 сут
Многократная рвота, значительное недомогание, температура тела до 38°С
До 10-20 сут, однако уже с первой недели возможны проявления орофарингеального синдрома; поражение слизистой рта, гиперемия, эрозия слизистых рта и зева, эритема кожи
На 2-5-й нед
Падение гранулоцитов до 100—500 кле- ток/мм3, тромбоцитов до 10—30 тыс/ мм3, СОЭ - 40-80 мм/ч
Лихорадка носит выраженный характер, наблюдаются тяжелые инфекционные и геморрагические осложнения
Выздоровление возможно у 50—80% при условии специализированного лечения
Более 6 (6-10)
Крайне тяжелая (IV); переходная форма
Через 20—30 мин; длится до 3—4 сут
Эритема кожи и слизистых, жидкий стул, температура тела 38°С и выше
Выражен нечетко, при некотором улучшении состояния, к 3—4-м сут сохраняется слабость, быстрая утомляемость; присутствуют признаки поражения слизистых рта и глотки
С 8-12-х сут
Развивается картина тяжелого поражения органов кроветворения с исчезновением из крови нейтрофилов и тромбоцитов
Могут выявляться кишечные нарушения; одно-, двукратный жидкий стул, другие диспептические расстройства
Выздоровление у 30—50% возможно лишь при условии раннего лечения в специализированной клинике
Более
10
Встречается чрезвычайно редко; смертельный исход — 100%
В рассмотренных авторами очень тяжелых случаях, большинство из которых осложнялось дополнительными факторами (ожоги, ударная волна и др.), летальный исход наступал в течение двух недель. У большинства пострадавших развивались желудочно-кишечные расстройства и геморрагии вследствие тяжелой лейкопении и тромбоцитопении. Бактериемия, развивавшаяся в связи с лейкопенией, являлась результатом инвазии не только патогенных микроорганизмов, но и собственной микрофлоры, обитающей в кишечнике. Предполагалось, что при лечении инфекции пострадавшего ожидает необратимая гематопоэтическая недостаточность, что находится в полном соответствии с данными экспериментов на животных, облученных в этом диапазоне доз. Как было показано, ранняя гранулоци- топсния и тромбоцитопения, без признаков абортивного восстановления, свидетельствуют об утрате способности к регенерации гемопоэза. Отсюда и невозможность выживания, несмотря на применение лечебных средств.
При дозах 2—4,5 Гр выживание возможно, несмотря на тяжелое поражение; необходимо лишь своевременное и квалифицированное лечение.
Анализ большого числа пострадавших, подвергшихся облучению в дозах 2—4 Гр, показывает, что проявление разгара болезни в абсолютном большинстве случаев связаны с реакцией кроветворной системы. Критическая стадия заболевания, наступающая на 4—5-й нед, характеризуется тяжелой гранулоцитопенией и тромбоцитопенией, степень и продолжительность которых определяют выраженность инфекционных осложнений, геморрагии, кровоточивости и изъязвлений. В наиболее тяжелых случаях в «поздней критической фазе» развивается и кишечная симптоматика.
Возможность выживания, по-видимому, тесно связана с потенциальной способностью костного мозга к восстановлению, о чем в значительной степени можно судить по наступлению временного абортивного восстановления на 6—14-е сут после облучения, причины которого были рассмотрены в предыдущей главе. Терапевтические мероприятия, способствующие восстановлению гемопоэза, повышают вероятность выживания.
При дозах 1—2 Гр выживание вполне вероятно без специального лечения, ибо поражение не столь сильно, чтобы вызвать депрессию образования форменных элементов крови, число которых спонтанно восстанавливается, но в некоторых случаях восстановление может затянуться. Более того, как правило, несмотря на значительно менее выраженное поражение грануло- и тромбоцитопо- эза, чем в предыдущей категории, его восстановление протекает медленнее. Причина этого феномена неизвестна.
При дозах менее 1 Гр своевременное восстановление кроветворения и выживание несомненны, а клиническая симптоматика не тре- 260
бует медицинского вмешательства, хотя исследования крови обнаруживают вначале длительное (в течение нескольких недель) падение числа лимфоцитов, а позднее и некоторое уменьшение количества тромбоцитов.
Терапия острой лучевой болезни
Восстановление организма после общего острого облучения с клеточно-кинетических позиций в первом приближении можно свести к необходимости замены пораженных клеток здоровыми. Применение терапевтических средств должно способствовать такому процессу, его ускорению или стимуляции.
В этом состоит первый принцип лечения лучевой болезни, который заключается в патогенетической терапии наиболее значимых проявлений заболевания. Наряду с этим следует учитывать также нарушения, возникающие и в других (некритических) системах организма, воздействие на которые составляет второй принцип лечения — симптоматическую терапию.
Другими словами, ликвидация непосредственных последствий острого облучения происходит в процессе заместительной и функциональной терапии.
Так как критической системой клеточного обновления млекопитающих при облучении в диапазоне доз до 10 Гр является система кроветворения, то восполнение ее клеточной убыли составляет первостепенную задачу заместительной терапии, способствующей ослаблению первичных и вторичных нарушений, непосредственно угрожающих жизни. При этом под первичными нарушениями понимают аплазию костного мозга и связанное с ней обеднение периферической крови форменными элементами (в первую очередь гранулоцитами и тромбоцитами), под вторичными — инфекционные осложнения и кровоточивость.
ЗАМЕЩЕНИЕ КОСТНОГО МОЗГА
Первые попытки трансфузии костного мозга у экспериментальных животных, предпринятые еще в 30-е годы, закончились неудачно. Вторично интерес к этой проблеме возник в связи с развитием иммунологии, когда стало понятно, что причина неудачных трансфузий заключается в несовместимости костного мозга донора с организмом реципиента.
Непосредственным толчком к развитию этих исследований послужили эксперименты Л. Джекобсона, впервые продемонстрировавшего возможность выживания большинства мышей, облученных в летальной дозе при экранировании выведенной наружу селезенки (1949), или трансплантации селезенки здорового донора облученному реципиенту (1951). Результаты этих опытов позволили установить принципиальную возможность предотвращения летального исхода сохранением лишь небольшого числа кроветворных клеток (у мышей селезенка, наряду с костным мозгом, является кроветворным органом).
Затем появилось сообщение Е. Лоренца и др. (1951) об успешной трансфузии изологичного костного мозга летально облученным мышам, в результате которой 75% животных выжило. В дальнейшем во многих лабораториях мира были проведены широкие исследования в этом направлении.
Оказалось, что эффективной может быть трансфузия не только изологичного костного мозга, но и гомологичного и даже гетерологичного, например, при пересадке от крыс или морских свинок мышам (при этом необходимо, однако, ввести значительно большее количество кроветворных клеток). При изологичных пересадках летальность снижается пропорционально количеству введенных клеток донора (рис. 14.8), она минимальна при введении 1 — 15 млн клеток (поданным разных авторов). Для получения аналогичного уровня выживаемости при гомо- и гетерологичных трансплантациях количество вводимых клеток следует увеличить в 10—15 раз (рис. 14.9).
Анализ многочисленных литературных данных показал, что для выживания 10—100% мышей (в зависимости от дозы облучения) необходимо сохранить жизнеспособность (заэкранировать на время облучения или ввести извне) 200—400 стволовых клеток, что составляет 0,05—0,1% их общего числа в организме интактных животных.
Повышение выживаемости реципиентов является прежде всего непосредственным результатом ускорения регенерации костного мозга, сопровождающейся быстрым восполнением периферической крови форменными элементами.
Рис. 14.8. Зависимость эффективности пересадки изологичного костного мозга от количества донорских клеток, введенных мышам сразу после общего облучения в дозе 9 Гр; динамика гибели животных в течение 30 дней после облучения (по А. Арсо и К. Конгдону, 1957):
/ — облучение без введения костного мозга; 2—0,007 млн клеток; 3 — 0,016 млн клеток; 4 — 0,61 млн клеток; 5—0,97 млн клеток; 6— 12,8 млн клеток
Число введенных клеток
Рис. 14.9. Относительная эффективность пересадки изологичного (7), гомологичного (2) и гетерологичного (3) костного мозга (по В. Бонду и др., 1971)
Длительное, время дискутировался вопрос о роли гуморальных влияний в ускоренной регенерации костного мозга. Однако с развитием цитогенетических методов исследования были получены неопровержимые доказательства тому, что в организме реципиента регенерирует костный мозг донора. Об этом свидетельствовали эксперименты К. Форда (1956) с использованием хромосомных
маркеров. Было показано, что все делящиеся клетки регенерировавшего костного мозга летально облученных реципиентов имели характерные хромосомы донора. Аналогичные доказательства были получены и при гетерологичных трансплантациях — костный мозг мышей заполнялся миелоидными клетками крыс, содержащими щелочную фосфатазу, отсутствующую в миелоцитах мышей [Ноуэлл П., 1956]. Таким образом, была получена истинная химера — организм, в котором живут и развиваются клетки животного другого вида.
Радиационные химеры, образованные при изологичных пересадках, живут достаточно долго, но общая продолжительность их жизни все же меньше, чем у исходного вида.
Положительный результат от трансфузии костного мозга получен на разных видах млекопитающих (крысах, кошках, собаках, обезьянах). Однако основной материал накоплен в экспериментах на мышах, так как на них можно иметь отчетливый генетический контроль, а следовательно, и наиболее точную оценку результатов.
При гомо- и тем более при гетерологичных пересадках мыши переживают ранний критический период, т. к. их достаточно хорошо защищает регенерация собственного кроветворения. Но в последующем (через 1,5—2 мес после облучения) они погибают от вторичной болезни (рант-болезни, или болезни истощения). Развивающийся при этом летальный синдром имеет иммунологическую природу — как следствие тканевой несовместимости. Прежде всего, вероятно, он является результатом реакции (или иммунологической атаки) клеток донора против тканей хозяина (трансплантат против хозяина). Есть много оснований считать, что свойством вызывать реакцию трансплантата против хозяина обладают только клетки лимфоидного ряда, которые потому и получили название иммунокомпетентных. В норме эти клетки находятся не только в костном мозге и лимфатических органах, но также в периферической крови и других тканях. Показано, что даже незначительное количество иммунокомпетентных клеток способно вызвать эту реакцию. По подсчетам Д. Ван-Беккума (1974), крупного специалиста в области радиационной иммунологии, при внутривенном введении для развития вторичной болезни достаточно 10 млн лим-
Доза излучения, ГрДоза излучения, ГрРис. 14.10. Зависимость эффективности пересадки изологичного и гетерологичного костного мозга крыс от дозы облучения мышей-реципиентов (по Н. Генго- циану, Т. Макинодану, 1957): / — без пересадки: 2-1,4- 10s клеток гетерологичного костного мозга;
Доза излучения, Гр
Доза излучения, Гр
3 — 1,2- 10’ клеток изологичного костного мозга
фоцитов/кг массы тела. Облучение организма временно подавляет выработку собственных антител и лимфоцитов. Благодаря этому чужеродные клетки приживляются и размножаются до такого уровня, с которым в самый начальный период восстановления иммунитета организм сам был не в состоянии справиться, и в возникающей «схватке» победителем оказывается агрессивный «спасатель» — трансплантат, борющийся в этот период за свое собственное существование.
Важным следствием механизма возникновения вторичной болезни является парадоксальное, на первый взгляд, явление — повышение эффективности гомо- и гетерологичной пересадки костного мозга с увеличением дозы облучения реципиента. Эта зависимость представлена на рис. 14.10, где показано, что при относительно малых дозах излучения трансфузия гетерологичного костного мозга даже увеличивает смертность, вероятно, также вследствие иммунологической реакции между донорскими клетками и не полностью подавленным иммунитетом реципиента.
Другая важная особенность, определяемая теми же причинами, состоит в том, что чем дальше донор и реципиент отстоят друг от друга в таксономическом и генетическом отношении, тем большая доза излучения необходима для подавления иммунологического ответа (в этом случае, вероятно, по типу хозяин против трансплантата). Минимальные дозы излучения, обусловливающие прививку (приживление) у мышей костного мозга, взятого от крыс, хомяков, морских свинок и кроликов, составляют соответственно 5, 9, 11,5 и 15 Гр.
Время после облучения, мес
Рис. 14.11. Динамика гибели облученных мышей после введения костного мозга донора различной степени генетической близости (по В. Бонду и др., 1971):
/ — 9 Гр (<?<? х $$); 2 — 9 Гр + гомологичный костный мозг (??),' 3 — 9 Гр + изологичный костный мозг (d’d* х ? $); 4 — нсоблученные в контроле (d'd* х ??)
Решающая роль генетического родства в эффективности гемотрансплантации была продемонстрирована в экспериментах с первым поколением мышей-гибридов, служивших облученными реципиентами, которым вводили костный мозг от таких же гибридов или от одного из их линейных родителей (рис. 14.11). При изологичной пересадке основная масса животных погибает только в период между 12—18-м мес (это, кстати, демонстрирует неэффективность введения костного мозга в отношении отдаленных последствий и, в частности, сокращения продолжительности жизни), тогда как при введении костного мозга даже от одного генотипически наиболее близкого родителя 80% реципиентов погибают в первые полгода, причем абсолютное большинство — в первые 2—3 мес.
Достоверные сведения об эффективности различного количества введенных клеток получены в экспериментах на мышах, крысах и обезьянах. На животных других видов можно лишь примерно определить минимальные количества клеток. В табл. 14.2 представлены сводные данные, полученные на летально облученных реципиентах.
266
Таблица 14.2. Число изологичных, аутологичных и аллогенных клеток костного мозга, обеспечивающее 100%-ю 30-дневную выживаемость или максимально достижимую защиту животных, подвергнутых общему облучению в летальных дозах (по Д. Ван-Беккуму, 1974)
Вид животного
Масса тела, кг
Число клеток/кг массы
Соотношение аллогенные/изо- логичные
изо- или аутологичные 10’
аллогенные -10"
Мыши
0,02
0,5
4
80
Крысы
0,20
5
5
10
Морские свинки
0,60
5
5
10
Кролики
2,50
4
2
5
Обезьяны
3,00
4
2
5
Собаки
6,00
5
3
6
Телята
50,00
3
8
27
Как следует из данных таблицы, количество кроветворных клеток, необходимое для предотвращения гибели от костномозгового синдрома, хорошо совпадает у животных разных видов. В среднем число аллогенных клеток в 5—10 раз превышает необходимое число изо- или аутологичных клеток. Исключение представляют мыши, у которых чрезвычайно эффективны изо- и аутологичные пересадки, вероятно, вследствие большой подвижности стволовых клеток.
На основании обстоятельного анализа данных на животных, а также имеющихся в литературе клинических сведений Д. Ван-Беккум пришел к выводу, что надежной дозой изогенного, или аутологичного, костного мозга для человека следует считать 2 • 108 клеток/кг массы тела, а при аллогенной пересадке ~ 109 клеток/кг массы.
В оптимальных условиях изологичная пересадка костного мозга мышам приводит к удвоению ЛД5О/ЗО Более того, в сочетании с предварительными применением радиопротекторов и лечением антибиотиками ЛД5О/ЗО повышается с 7 до 19 Гр, а при ежедневном введении стрептомицина отдельные животные переносят дозы до 30 Гр.
Однако трансфузии гомологичного костного мозга человеку не имеют терапевтической ценности, так как даже в тех случаях, когда обеспечивается непосредственное выживание, нельзя не считаться с практически неизбежным развитием тяжелых иммунологических расстройств, заканчивающихся летальным исходом.
Таким образом, иммунитет, по меткому выражению Р.В. Петрова (1968), «охраняющий нашу индивидуальность на протяжении
267
всей жизни», в данном случае сильно ограничивает практические возможности реализации столь высокоэффективного средства пострадиационной терапии человека, как трансплантация костного мозга.
К середине 70-х годов была расшифрована главная генетическая система гистосовместимости у человека, что создало возможность типирования и подбора доноров, идентичных по главному антигену системы HLA. В связи с этим гомологичные пересадки костного мозга приобрели практическое значение и у человека, особенно после тотального, равномерного гамма-терапевтического облучения.
В настоящее время разрабатываются различные пути преодоления иммунологического барьера, или способы иммунологического сближения. Один из них, давший великолепные результаты в эксперименте и демонстрирующий принципиальную возможность такого сближения, — выработка иммунологической толерантности в эмбриональном периоде. При введении эмбриону гомологичных клеток из-за несовершенства его иммунологической системы постепенно вырабатывается такая же иммунологическая толерантность к антигенам введенных клеток, как и к собственным клеткам. Во взрослом состоянии такая химера распознает чужое (клетки, ткани того же донора), но не реагирует на него, так как в организме уже выработана специфическая терпимость к этому чужому. За открытие явления иммунологической толерантности П. Медавару и была присуждена Нобелевская премия.
Из рассмотренных способов преодоления иммунологического барьера наиболее обоснованными представляются те, которые направлены на удаление максимального количества иммунокомпетентных лимфоидных клеток донора, а также подбор доноров на основе гистосовместимости. До тех пор, пока эти методы не будут вполне надежными, трансплантация аллогенного костного мозга человеку остается проблемой, связанной с серьезным риском, степень которого в каждом отдельном случае необходимо правильно определить. Поэтому к встречающимся в литературе излишне оптимистическим рекомендациям, а также сообщениям об эффективных трансплантациях аллогенного костного мозга следует относиться критически или, во всяком случае, весьма осторожно. Чаще всего переоценка результатов обусловлена неполным учетом возможности спонтанного восстановления кроветворения, для которого достаточно сохранения менее 1 % стволовых клеток. Особенно наглядна необоснованность таких рекомендаций при неравномерном и тем более при локальном облучении. С учетом этих данных Т. Флиднер (1974) правильно предупреждает о недопусти- 268
мости поспешного назначения заместительных процедур; у многих пострадавших не следует устанавливать прогноз в течение нескольких недель, и нужно быть готовым пересмотреть тактику лечения в связи с получением новых данных.
Ранее был приведен наглядный пример оправданной жизнью правильной тактики лечения пострадавшей К., основанной на отказе от трансплантации костного мозга, в расчете на спонтанное восстановление собственного кроветворения.
Накопленный опыт показал, что в диапазоне доз общего облучения до 10—12 Гр при адекватной поддерживающей терапии восстановление кроветворения возможно и без трансплантации костного мозга.
Значительно свободнее следует использовать возможности трансплантации экзогенного костного мозга от однояйцевых близнецов, однако такие ситуации, естественно, крайне редки. Существенному расширению подлежит возможность использования аутологичного костного мозга как интактного, так и из участков, облученных в относительно небольших дозах (до 5 Гр).
Обоснование этому методу дал Г.С. Стрелин, показавший в серии многолетних систематических исследований усиление защитного действия экранирования конечности при однократном и фракционированном облучении с помощью аутотрансплантации клеток костного мозга из экранированного участка. В сравнительных экспериментах автора и его сотрудников эта процедура оказалась менее эффективной на мышах и более эффективной на крысах, собаках и обезьянах, что, вероятно, связано с различной способностью стволовых клеток к самостоятельному расселению. У мышей она максимальна, и дополнительный эффект аутотрансплантации костного мозга из экранированного участка оказывается слабо выраженным, ибо сохранившиеся в нем стволовые клетки способны и сами достаточно быстро заселить опустошенные зоны костного мозга. У крыс и особенно у собак и обезьян (вероятно, и у человека) стволовые клетки менее мобильны и потому любые факторы, способствующие их расселению, должны ускорять процессы восстановления гемопоэза. Те же аргументы справедливы и для проведения аутотрансплантации костного мозга из относительно слабо облученных участков.
Преимущество данного метода состоит в возможности осуществления трансфузий нативными свежими клетками без предварительного консервирования. Такой прием оправдан и в тех случаях неравномерного облучения, когда спонтанное восстановление вполне вероятно или даже несомненно. Аутомиелотранспланта-
269
ция, абсолютно безопасная в иммунологическом отношении, способна сократить срок восстановления гемопоэза, а следовательно, длительность лейко- и тромбопении, что, в свою очередь, уменьшит вероятность инфекционных и геморрагических осложнений.
Оказалось целесообразным использовать аутомиелотранс- плантацию костного мозга как средство ускорения регенерации кроветворения при лучевой терапии лимфогранулематоза по радикальной программе, предусматривающей так называемое широкопольное облучение, при котором непосредственному радиационному воздействию подвергается до 80% активного костного мозга.
ЗАМЕЩЕНИЕ ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ КРОВИ
Как было показано, непосредственной причиной гибели при костномозговом синдроме являются чаще всего инфекции и кровотечения (см. гл. 12). Четкая корреляция между временем развития инфекции и снижением количества гранулоцитов указывает, что нейтрофильные гранулоциты играют основную роль в защите организма от микробной инвазии и избыточного размножения бактерий. В развитии же геморрагического синдрома ведущая роль принадлежит тромбоцитопении. Так как снижение числа гранулоцитов и тромбоцитов происходит почти одновременно, инфекция и геморрагический синдром взаимно отягощают друг друга, а это затрудняет дифференциацию их роли в процессе гибели.
Возможность противолучевой защиты организма замещением форменных элементов крови можно отчетливо продемонстрировать в экспериментах с парабиотизированными животными. Если крысу на 3—4-е сут после летального облучения соединить с помощью кожно-сосудистого лоскута с интактньм партнером, то это оказывается достаточным, чтобы облученным парабионтам пережить критический период (8—12-е сут после облучения), когда наиболее выражены гранулоцитопения и тромбоцитопения, приводящие к гибели контрольных непарабиотизированных животных. Успех этого эксперимента связан с поступлением в кровь облученного партнера клеток крови интактного животного, что дало основание использовать переливание гранулоцитов при лечении ОЛБ.
Практическая ценность переливания гранулоцитов может оказаться ограниченной из-за небольшой продолжительности их жизни (полупериод обращения гранулоцитов у человека 6—8 ч) или быстрой утраты ими жизнеспособности. Отсюда — необходи- 270
мость в обильном источнике гранулоцитов для частых переливаний. Кроме того, жизнеспособность перелитых гранулоцитов с увеличением числа трансфузий сокращается. Однако, несмотря на эти ограничения, переливание гранулоцитов имеет первостепенное значение. В радиобиологических экспериментах на животных и в гематологической клинике было показано, что значительное повышение устойчивости к бактериальной инфекции не требует поддержания высокого уровня лейкоцитов. Реципиентам с лейкопенией (большинство из них страдало острой лейкопенией) производили трансфузию 5 • 1010 гранулоцитов, взятых от больных хронической миелоидной лейкемией, у которых содержание лейкоцитов составляло (1—3) ■ 105 в 1 мм3 крови. Основная масса перелитых гранулоцитов исчезала из периферической крови в течение нескольких часов и все же с помощью повторных ежедневных трансфузий удавалось некоторое время поддерживать число лейкоцитов на уровне ~ 1О3/мм3. Через 12 ч после трансфузии у больных наступала нормализация температуры, причем лихорадка не наблюдалась в течение двух недель.
Эффективным средством борьбы с инфекцией в период лейкопении служат антибиотики. В большинстве экспериментальных работ применение антибиотиков снижало пострадиационную смертность, хотя в отдельных исследованиях терапия антибиотиками была безуспешной, что связывают с устойчивостью к ним определенных микробных штаммов. При изменении назначаемых антибиотиков в ходе лечения эффективность повышается.
Убедительные доказательства роли тромбоцитопении в развитии геморрагического синдрома были получены еще в ранних экспериментах Д. Фабрициуса-Меллера (1922), наблюдавшего отсутствие кровоточивости и сохранение на более высоком уровне числа тромбоцитов у морских свинок, подвергнутых облучению тела при экранировании конечности. Рис. 14.12 иллюстрирует эффективность трансфузии тромбоцитов в качестве кровоостанавливающего средства у облученной собаки. Показателем кровоточивости в этом случае служила интенсивность выхода эритроцитов в лимфу, а трансфузия свежих тромбоцитов привела к резкому увеличению их числа в крови реципиента, сопровождавшемуся резким снижением выхода эритроцитов в лимфу. Оба эффекта наблюдали лишь при введении свежевыделенных концентрированных тромбоцитов, они отсутствовали при использовании лиофилизованных и разрушенных ультразвуком тромбоцитов; неэффективными оказались также тромбобластин и флавоновые препараты. Эффективность гемостатического действия трансфузии свежих тромбо-
Время после облучения, ч
Рис. 14.12. Гемостатическое действие тромбоцитов при кровотечении у собаки,'
1 — эритроциты в лимфе; 2 — тромбоциты
цитов связана с их способностью сохраняться в периферической крови (рис. 14.13).
Весьма интересны наблюдения, показавшие, что в случае подавления инфекции естественными механизмами или лечебными мероприятиями потребность организма в тромбоцитах уменьшается. Так была определена целесообразность сочетания трансфузий тромбоцитов с применением антибиотиков.
Возможность лечебного применения тромбоцитов осложняется их быстрым разрушением при обычном хранении. В последние годы показано, что замораживание тромбоцитов до —196 °C в растворе глюкозы и диметилсульфоксида позволяет сохранить жизнеспособными более 50% клеток.
В настоящее время имеется достаточно успешный опыт по очень высокой гемостатической эффективности трансфузий свежей тромбоцитарной массы (тромбоцитов) как при тотальном гамма-терапевтическом облучении в дозах 10—14 Гр, так и при острой лучевой болезни от случайного (аварийного) у- или у-ней- тронного облучения.
При необходимости лечения анемии производят трансфузию эритроцитарной массы. Показания к ее применению возникают при резком снижении числа эритроцитов (обильные кровопотери, 272
Рис. 14.13. Влияние трансфузий тромбоцитов на количество тромбоцитов у облученных крыс (по Т.М. Флиднеру, 1958):
1 — контроль; 2 — б Гр; 3— б Гр + свежие тромбоциты; 4—6 Гр = лиофилизирован-ные тромбоциты
дополнительные травмы и ожоги), обычно же регенерация эритроцитов у переживших облучение животных и человека происходит достаточно быстро.
Последним средством, относящимся к заместительной терапии, следует назвать переливание жидкостей, солевых растворов, глюкозы и т. д., компенсирующих утрату воды и электролитов, сопутствующую поражению кишечника. Сами по себе эти средства неэффективны, однако в сочетании с антибиотиками они существенно уменьшают раннюю летальность животных.
При рассмотрении различных аспектов заместительной терапии не была упомянута трансфузия цельной крови, хотя в клинике и в эксперименте ее применяют достаточно часто. Однако ясно, что с цельной кровью может быть введено ограниченное количество форменных элементов, особенно гранулоцитов, поэтому во всех случаях предпочтительнее использовать клеточные концентраты. Кроме того, следует учитывать также возможность возникновения реакции типа «трансплантат против хозяина», индуцируемой иммунокомпетентными лимфоцитами, содержащимися в периферической крови. Согласно расчетам Д. Ван-Беккума, минимальный риск возникновения такой реакции возможен уже при введении 107 лимфоидных клеток на 1 кг массы реципиентам сим-
мунологической недостаточностью (такое количество лимфоцитов содержится в 0,5 л свежей крови при введении человеку массой 70 кг).
Поэтому при переливании цельной крови или ее отдельных компонентов рекомендуется облучать их in vitro в дозах 15—25 Гр, что позволяет элиминировать иммунокомпетентные клетки.
Л.М. Рождественским и Е.Н. Щербовой (1987) предложен новый подход к ускорению пострадиационного восстановления кроветворной системы. Он заключается в эксплантации части костного мозга из облученного организма, инкубации его в течение 1 ч при температуре 36 °C (в присутствии циклогексимида, способствующего восстановлению стволовых клеток) и последующей реимплантации. В опытах на мышах Fx (СВА х C57BI) при дозе у-излучения 8,5 Гр с помощью такой процедуры (эксплантация костного мозга из двух бедренных костей сразу после облучения) выживаемость повышается с 10 до 70% . Показано также, что менее выраженный эффект удается получить с помощью одной трансплантации мышам-реципиентам донорских облученных клеток, инкубированных в указанных условиях. Механизм этого феномена пока не ясен.
Изложенные принципы терапии острой лучевой болезни полностью оправдали себя при лечении пострадавших при аварии на Чернобыльской АЭС.
Как сообщают А.К. Гуськова и соавторы (1987), всех больных ОЛБ II—IV степени тяжести содержали в палатах, приспособленных для максимального соблюдения асептического режима, обеспечивающего содержание микроорганизмов не более 500 коло- ний/м3 воздуха.
Оправдала себя тактика интенсивного противоинфекционно- го лечения, состоящая в одновременном внутривенном введении 2—3 антибиотиков широкого антибактериального спектра из группы аминогликозидов, цефалоспоринов и полусинтетических пенициллинов в максимальных дозировках. В случаях, когда таким путем лихорадку не удавалось купировать, применяли у-гло- булин и амфотерицин В. При лечении герпетической инфекции, которой было поражено не менее 1 /3 больных ОЛБ III и IVстепени тяжести, с успехом применяли ацикловир.
В результате практически отсутствовали летальные исходы, обусловленные инфекцией, даже у больных с тяжелой и крайне тяжелой формой костномозгового синдрома, если он не был ослож- 274
нен ожогами, лучевым энтеритом или острой вторичной болезнью после трансплантации костного мозга.
Большую роль сыграло использование свежих тромбоцитов для профилактики, лечения кровоточивости. Тромбомассу получали методом 4-кратного тромбоцитофореза от отдельных доноров в семи центрах Москвы. Тромбомассу (300 • 109 клеток в 200—250 мл плазмы на трансфуззию) подвергли облучению в дозе 15 Гр для инактивации иммунокомпетентных клеток. Трансфузии начинали при снижении числа тромбоцитов меньше 20 • 109 кле- ток/л. Всего требовалось от 3 до 8 трансфузий. В результате кровоточивость отсутствовала даже при длительной (> 2—4 нед) и глубокой тромбоцитопении. В части случаев успешно использовали криоконсервированную аллогенную и, что особенно важно, аутологичную тромбомассу, которую получили заранее у больных с ОЛБ II—III степени в первые дни после облучения.
Лейкомассу не применяли, а потребности в эритромассе оказались значительно выше ожидаемых даже у больных с ОЛБ II—III степени, неосложненной тяжелыми радиационными ожогами.
На рис 14.14 приведена клиническая карта больного, отражающая типичный объем и продолжительность заместительной и поддерживающей терапии при острой лучевой болезни, не осложненной угрожающими жизни поражениями других тканей.
Части больных были произведены трансплантации костного мозга от доноров, гаплоидентичных по Я£Я-антигену (ТАлКМ) и шести больным — трансплантации клеток эмбриональной печени человека (ТКЧЭП). Показанием к трансплантациям была доза общего у-облучения, оцененная по числу лимфоцитов крови и хромосомным аберрациям, порядка 6 Гр и более.
После ТКЧЭП пять больных погибли в ранние сроки (с 14 по 18 сут после облучения) от поражений кожи и кишечника. Одна больная прожила 30 сут после облучения в дозе 8—10 Гр, причем в день смерти (17-е сут после ТКЧЭП) на фоне глубокой панцитопении в костном мозге впервые было обнаружено много делящихся клеток, имевших женский кариотип, что свидетельствовало о начале регенерации собственного костного мозга (ТКЧЭП была произведена от 18-недельного эмбриона мужского пола).
1 Эмбриональная печень содержит стволовые кроветворные клетки при минимуме иммунокомпетентных элементов, что резко снижает риск развития вторичной болезни.
Аналогичным образом в сроки от 2 до 19 сут после пересадки (с 15-х по 25-е сут после облучения) погибли семь больных после ТАлКМ от острых лучевых поражений кишечника и легких.
Из шести больных, получивших ТАлКМ, но не имевших несовместимых с жизнью поражений кожи и кишечника (дозы общего облучения у них были оценены в диапазоне 4,3—10,7 Гр), выжили двое, получившие 5,8 и 9,0 Гр. У обоих произошло отторжение временно функционировавшего трансплантата от гаплоидентичных доноров — сестер к 32—35-м сут и с 28-х сут началось восстановление собственного гемопоэза.
В остальных 4 случаях даже при HLA- идентичных трансплантациях и наличии полного или частичного химеризма имела место так называемая трансплантанно обусловленная летальность (ТОЛ) в сроки от 36 до 91 дня после облучения: в трех случаях — реакция трансплантат против хозяина (РТПХ) в сочетании с тяжелыми вирусными (цитомегаловирус), микозными и бактериальными инфекциями, в одном случае — реакция хозяин против трансплантата (РХПТ) с синдромами «протекания» и полиорган- ной недостаточности.
На основании этих наблюдений сделан вывод о том, что при общем облучении в диапазоне доз 8—10 Гр и даже при отсутствии противопоказаний к трансплантации КМ в виде несовместимых с жизнью некостно-мозговых острых лучевых синдромов, пересадка аллогенного костного мозга как HLA- неидентичного, так, по-видимому, и HLA-идентичного при острой лучевой болезни малоцелесообразна из-за высокого риска РТПХ и ТОЛ.
Сложную и многостороннюю проблему составило лечение лучевых ожогов и других внекостно-мозговых синдромов. Здесь использовали комплекс местной терапии — аэрозоли и пленки бактерицидного и аналгезирующе-противовоспалительного действия, дубящие средства, а позднее — мазевые повязки с производными гидрокортизона. Незаживающие раневые и язвенные дефекты удаляли хирургически с последующей пластикой. Кроме
Рис. 14.14. Клиническая карта больного с костно-мозговым синдромомсредней степени тяжести; доза общего у-облучения, оцененная по числухромосомных аберраций в лимфоцитах крови,— 3,9 Гр (по А. К. Гуськовойи др., 1987):
Вертикальными линиями обозначена температура тела (максимальная и минимальная) в течение суток; кружками — результаты бактериологического исследования крови, мокроты и кала (пустыми кружками — нет роста, • — обнаружены бактерии или грибки); цифры в разделе «Ожоги» соответствуют трем степеням термического поражения
того, для ослабления токсикоза осуществляли ряд общих мероприятий — гемосорбцию, плазмафорез, вливание больших объемов свежезамороженной плазмы (до 1000 мл) на фоне круглосуточной гепаринизации (1000 ед/ч) с нагрузкой жидкостью (2—6 л/сут) и форсированным диурезом, адекватным объему введенной жидкости.
Трудной и малоэффективной оказалась борьба с болевым синдромом в связи с явно недостаточным арсеналом в современной медицине местно-обезболивающих средств.
Изложенные материалы лечения большого числа пострадавших при аварии на ЧАЭС обогащают опыт патогенетической терапии ОЛБ. У большинства больных с костно-мозговым синдромом I—II степени тяжести клиническое выздоровление завершалось к 3—4-му мес. В более длительном лечении нуждались пострадавшие с тяжелыми лучевыми ожогами и последствиями костно-мозгового синдрома III-IV степени. У нескольких выживших с тяжелым и крайне тяжелым костно-мозговым синдромом сохраняются признаки иммунодефицитного статуса (низкое соотношение хелперы — супрессоры, определяемое в субпопуляции Т-лимфоцитов с помощью моноклональных антител). Однако, как показали результаты постоянного наблюдения, и у них в последующие годы после облучения не отмечалось каких-либо тяжелых инфекций, угрожающих жизни.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ТЕРАПИЯ
Мероприятия по заместительной терапии могут быть также частично отнесены и к функциональному лечению последствий облучения человека. Другие виды функциональной терапии не базируются на каких-либо специфических началах, а представляют обычный арсенал симптоматических средств, направленных на поддержание и улучшение деятельности всех органов и систем организма, в той или иной степени пораженных ионизирующим излучением.
Оказание помощи начинается уже в фазе первичной реакции и сводится к назначению средств, уменьшающих выраженность диспептического синдрома и детоксикации, а также способствующих нормализации деятельности нервной, а иногда и сердечно-сосудистой систем. По мере развития болезни возникает необходимость в применении самых различных средств симптоматической терапии, а также в проведении мероприятий по уходу, содержанию больных, их режиму и питанию.
При рассмотрении клинических рекомендаций следует помнить о недопустимости поспешного назначения терапевтических процедур, ибо в течение нескольких первых часов или суток может оказаться, что сложные терапевтические мероприятия вообще не нужны, так как поглощенная доза оказалась весьма низкой или, напротив, она была столь высока, что никакая терапия не поможет. При среднем диапазоне доз, как правило, серьезная необходимость в лечении появляется по прошествии нескольких суток и даже недель. Однако следует учитывать рекомендации А.К. Гуськовой и Г.Д. Байсоголова (1971) о благоприятном влиянии на последующее течение болезни раннего назначения антибиотиков с профилактической целью, а также с учетом опасности эндогенного инфицирования, в связи с чем важно не опоздать с их применением.
Ниже перечислены разрабатываемые в эксперименте средства функциональной терапии острого лучевого синдрома, применение которых в практике человека пока не имеет опыта. Среди них следует прежде всего остановиться на бактериальных эндотоксинах тифопаратифозной группы, представляющих собой липополисахаридные комплексы. В экспериментах на мышах показано, что однократное введение их в течение первых суток после облучения сопровождается значительным повышением выживаемости. Механизм терапевтического действия эндотоксинов связывают со стимуляцией неспецифической резистентности, однако строгие доказательства этого отсутствуют.
Несомненный успех получен и при лечении облученных животных препаратами ДНК, причем для нуклеиновых кислот не имеет значения генетическая близость. По данным Б. Паневича, эффективными оказались препараты изологичных ДНК и РНК, а Д. Мэзен (1965) и Н. Лучник (1966) наблюдали повышение выживаемости мышей, получавших даже дрожжевую РНК. Механизм действия этих биополимеров пока не выяснен, хотя и продолжает изучаться. Предположение об их заместительной роли (взамен или как компенсация ДНК, поврежденной при облучении) вряд ли обосновано, так как они эффективны не только для лечения, но и при профилактике лучевых поражений.
Противоречивые результаты получены при использовании гормонов, в частности эстрогенов. Наиболее убедительные экспериментальные данные о благоприятном влиянии на процессы репарации небольших количеств глюкокортикоидов получили В.Д. Рогозкин и К.С. Чертков (1975). Этим результатам соответствуют клинические наблюдения А.К. Гуськовой и Г.Д. Байсоголова
279
(1971), применявшими преднизолон (по 10—15 мг) в конце фазы разгара и в начале фазы раннего восстановления. Заслуживают внимания экспериментальные данные Г.А. Чернова (1962) о благоприятном влиянии серотонина на течение геморрагического синдрома.
Противопоказано при лечении последствий облучения применение сульфаниламидных препаратов из-за их лейкопенического действия. Ограниченное применение имеют наркотические средства, в частности препараты морфия, к которым замечено повышение чувствительности облученного организма. Наконец, учитывая склонность к геморрагиям, следует избегать, по возможности, любых инъекций.
Итак, оценивая современные возможности терапии ОЛБ, можно уверенно констатировать, что при правильной оценке степени поражения критических систем в условиях, когда в принципе возможно спонтанное восполнение их клеточного фонда, грамотно спланированная и тщательно осуществленная терапия позволяет получить выживание примерно половины пострадавших, которые без лечения были бы обречены на гибель.
РЕЗЮМЕ
Под лучевой болезнью человека понимают определенный комплекс клинических проявлений, развивающихся в организме в результате воздействия ионизирующих излучений.
Разнообразие форм лучевой болезни определяется видом ионизирующего излучения, поглощенной дозой и ее распределением в облучаемом объеме и во времени, т.е. условиями облучения.
Условия облучения характеризуются пространственными и временными факторами распределения дозы. К первым относятся следующие параметры: общее или местное, внешнее или внутреннее (от инкорпорированных радионуклидов), равномерное или неравномерное облучение. Ко вторым — кратность и интенсивность радиационного воздействия: однократное (острое), многократное (фракционированное) или хроническое облучение при разной мощности дозы.
Соответственно перечисленным условиям облучения формируются и классифицируются острая (ОЛБ) или хроническая (ХЛБ) лучевая болезнь при общем относительно равномерном облучении и различные лучевые повреждения при неравномерном или местном облучении.
280
При дозах до 10 Гр общего острого облучения развивается типичная картина ОЛБ, характеризующаяся строгой периодичностью клинического течения. Различают три периода в течении ОЛБ — период формирования, период восстановления и период исходов и последствий.
Период формирования ОЛБ четко делится на четыре фазы: фазу первичной реакции, фазу кажущегося клинического благополучия (скрытую или латентную фазу), фазу выраженных клинических проявлений (фазу разгара) и фазу раннего восстановления.
Степень тяжести ОЛБ определяется поглощенной дозой. Развернутый симптомокомплекс ОЛБ возникает при дозах, превышающих 1 Гр. При меньших дозах клинические проявления отсутствуют или отмечаются преходящие реакции со стороны отдельных систем. При 1—2 Гр возникает ОЛБ I (легкой) степени, при 2—4 Гр — II (средней) степени, при 4—6 Гр — III (тяжелой) степени. При дозах, превышающих 6 Гр, развивается IV (крайне тяжелая) степень ОЛБ.
Непосредственный исход ОЛБ определяют радиационные изменения, происходящие в основных критических системах (при дозах до 10 Гр) в системе кроветворения.
Современные возможности терапии ОЛБ позволяют утверждать, что при правильной оценке степени поражения критических систем, если в принципе возможно восполнение их клеточного фонда, грамотно спланированное и тщательно осуществленное лечение обеспечивает выживание не менее половины пострадавших, которые без него были бы обречены на гибель.
ХЛБ развивается в результате продолжительного облучения в малых дозах при интенсивности 0,1—0,5 сГр/сут после суммарной дозы 0,7—1 Гр.
При самом благоприятном непосредственном исходе ОЛБ и ХЛБ, включая грамотное полноценное лечение, даже при относительно небольших дозах не исключается возможность развития отдаленных последствий облучения.
ГЛАВА
1 J БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИНКОРПОРИРОВАННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Радиобиологические принципы изучения вопросов радиотоксикологии
Пути поступления и распределения радионуклидов в организме
Особенности поражения органов и систем отдельными радионуклидами и продуктами ядерного деления Профилактика и терапия поражений инкорпорированными радионуклидами
В атомную эру человек может подвергаться не только дополнительному внешнему облучению, но и воздействию инкорпорированных радиоактивных веществ. Этот последний вид воздействия в профессиональных условиях приобретает преимущественное значение.
Количественной оценкой биологических эффектов, развивающихся под влиянием поступивших в организм радиоактивных химических элементов (радионуклидов), занимается самостоятельная научно-практическая дисциплина — радиотоксикология. Решение ее вопросов находится в компетенции радиационных гигиенистов и физиков-дозиметристов. Их детальное рассмотрение изложено в монографиях Д.П. Осанова и И.А. Лихтарева (1977), Ю.И. Москалева (1988), а также в обзоре Л.А. Булдакова и В. С. Калистратовой (2001).Здесь будут рассмотрены лишь наиболее общие аспекты проблемы, с тем чтобы показать, что ее изучение целиком основано на радиобиологических принципах, учитывающих прежде всего связь эффекта с дозой излучения, временем воздействия и клеточно-кинетическими параметрами облучаемых органов и систем.
Независимо от этого при оценке биологического действия внутреннего облучения необходимо учитывать его особенности по сравнению с эффектами внешнего общего облучения:
— Тропность конкретных радионуклидов к определенным органам и тканям, которые в результате подвергаются наибольшему облучению и поэтому становятся критическими.
282
— Неравномерность облучения вследствие различий в органо- тропности радионуклидов, особенно с учетом микрораспределения поглощенной дозы; наиболее интенсивному облучению подвергаются органы поступления и основного депонирования радионуклидов. Исключение составляет их небольшая группа (137Cs, 95Nb, 106Rb,210Po), обладающая относительно равномерным распределением.
— Протяженный характер облучения. Даже при однократном поступлении радионуклида облучение происходит длительно, иногда в течение всей жизни с постоянной или постепенно уменьшающейся мощностью дозы, зависящей от его периода полураспада.
Пути поступления радионуклидов в организм
Радиоактивные вещества могут поступать в организм тремя путями: с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, через легкие и кожу.
Наиболее важным и потенциально опасным является ингаляционное поступление радионуклидов. Этому способствует огромная дыхательная поверхность альвеол, площадь которой ~ 100 м (в 50 раз больше, чем поверхность кожи).
Радиоактивность воздуха может быть обусловлена содержанием в нем радиоактивных газов или аэрозолей в виде пыли, тумана или дыма. Доля радионуклида, задержанная в дыхательной системе, зависит от размера частиц, минутного объема и частоты дыхания.
Дальнейшая судьба отложившихся вдыхательных путях радионуклидов также связана с размерами радиоактивных частиц, их физико-химическими свойствами и транспортабельностью в организме. Хорошо растворимые вещества в основном быстро (десятки минут) резервируются в кровеносном русле, а затем, в процессе обмена веществ, откладываются в определенных органах и системах организма или выводятся. Нерастворимые или слаборастворимые вещества, осевшие в верхних дыхательных путях, удаляются из них вместе со слизью, после чего с большой вероятностью поступают в желудочно-кишечный тракт, где резорбируются кишечной стенкой. Частицы, осевшие в альвеолярной части легочной ткани, либо захватываются фагоцитами и удаляются, либо мигрируют в лимфатические узлы, удаляясь из них в течение нескольких месяцев или лет.
При ингаляции нетранспортабельных и короткоживущих радионуклидов критическими по лучевой нагрузке становятся органы дыхания. Транспортабельные радиоактивные вещества с большим периодом полураспада в основном резорбируются в самой легочной ткани, а частично заглатываются и попадают в кровеносное русло при всасывании из кишечника.
Второй по значимости путь — поступление радионуклидов с пищей и водой. Питательные вещества наряду с фоновыми концентрациями естественных радиоактивных веществ могут быть загрязнены искусственными радионуклидами, которые из внешней среды по биологическим пищевым цепочкам попадают в сельскохозяйственные растения, организмы животных и, в конце концов, в продукты питания. Дальнейшая судьба радиоактивных веществ зависит от их растворимости в жидкой среде желудочно-кишечного тракта, характеризующейся в различных его участках разными показателями pH. Так, например, многие растворимые соединения нуклидов, редкоземельных и трансурановых элементов, в частности плутония, при щелочном pH кишечника превращаются в нерастворимые гидрооксиды. Напротив, относительно плохо растворимые в воде вещества в желудочно-кишечном тракте превращаются в растворимые компоненты, хорошо всасывающиеся в кровь через эпителий кишечника. Именно поэтому Международная комиссия по радиационной защите (см. гл. 24) рекомендует отказаться от термина «растворимость», заменив его термином «транспортабельность».
В организм поступает лишь некоторая часть попавших в кишечник радионуклидов, большая часть их проходит «транзитом» и удаляется из кишечника.
Во время нахождения радиоактивных веществ в пищеварительном тракте происходит облучение кишечника, причем корот- копробежные а- или р-частицы облучают только его стенку, а у-кванты достигают и других внутренних органов, расположенных в брюшной полости и грудной клетке.
Таким образом, в случае поступления радиоактивных веществ в организм с продуктами питания и водой, когда отдельные участки кишечника поглощают значительную часть энергии испускаемых частиц, желудочно-кишечный тракт становится критическим органом.
Здесь уместно дать расширенное толкование критического органа по сравнению с определением, сделанным при описании ра- 284
диационных синдромов, возникающих в условиях внешнего облучения (см. гл. 12).
Орган является критическим, если он: а) получает наибольшую дозу или усваивает наибольшее количество радионуклидов; б) играет наиболее важную роль (или необходим) для нормального функционирования всего организма; в) обладает наибольшей радиочувствительностью, т. е. повреждается самой низкой дозой излучения по сравнению с другими органами.
Вследствие различий клеточной радиочувствительности в пределах одного органа, а также неоднородности распределения радионуклидов, а следовательно, и поглощенныхдоз в его отдельных участках критическими могут оказаться отдельные участки органа или его клеточные популяции, например базальный слой эпидермиса в коже, эпителий крипт кишечника, бронхиальный эпителий, активные остеобласты скелета.
Наименее изучено поступление радиоактивных веществ через кожу (транскутанно), которая до недавнего времени считалась для них эффективным барьером, в связи с чем транскутанным проникновением радионуклидов через неповрежденные покровы пренебрегали. Однако в последующем было установлено, что радионуклиды, как и другие вещества, в составе жидких и газообразных соединений проникают через кожу животных и человека достаточно быстро в измеримых, а иногда и в значительных количествах. Так, скорость проникновения в организм человека паров оксида трития и газообразного йода через неповрежденную кожу сравнима со скоростью проникновения этих веществ через дыхательные пути, а количество плутония, проникающего в организм вследствие загрязнения кожи его водорастворимыми соединениями, не меньшее, чем при поступлении в желудок. При приеме радоновой ванны в течение 20 мин в организм проникает через кожу до 4% Rn.
Проницаемость кожи резко увеличивается при воздействии многих химически активных веществ, например обезжиривающих растворителей, особенно при повреждении рогового слоя эпидермиса, играющего главную роль в барьерной функции кожи. В производственных условиях из-за трещин, царапин и ссадин реальная опасность поступления радионуклидов в организм через кожу возрастает. '
Значительное влияние на интенсивность подкожного поглощения радионуклидов оказывают температура и влажность окружающей среды.
Радионуклиды, проникающие транскутанно, создают опасность облучения самой кожи и тех внутренних органов, куда они доставляются с током крови. При оценке облучения кожи обычно ограничиваются определением дозы, получаемой базальным слоем эпидермиса, расположенным у человека на глубине 50—150 мкм, где сосредоточены стволовые и пролиферирующие клетки. Однако в последнее время стала очевидной важность учета облучения и более глубоких слоев кожи, в зоне микроциркуляции крови и лимфы, обеспечивающей нормальный обмен веществ в эпидермисе.
Радиационные повреждения внутренних органов радионуклидами, проникшими через кожу, не отличаются по характеру от наблюдаемых при поступлении радиоактивных веществ через желудочно-кишечный тракт и через легкие, так как они также определяются, прежде всего, поглощенной дозой излучения и пространственным распределением поглощаемой энергии.
Распределение инкорпорированныхрадионуклидов в организме
«Судьба» поступивших в организм радионуклидов зависит от их свойств и химической природы. Одни из них в виде растворов удаляются с мочой, другие могут быть задержаны в организме на различные сроки.
Существует три основных типа распределения радионуклидов в организме — скелетный, ретикулоэндотелиальный и диффузный. Скелетный тип характерен для нуклидов щелочноземельной группы элементов — Са, Sr, Ba, Ra, накапливающихся в минеральной части скелета, а также для некоторых соединений плутония и тория, задерживающихся в костной ткани. Ретикулоэндотелиальное распределение присуще нуклидам редкоземельных элементов — Се, Рг, Pm, а также Zn, Th, Am и трансурановым элементам. По диффузному типу распределяются щелочные элементы — К, Na, Cs, Rb, а также нуклиды Н, N, С, Рои некоторых других элементов. Известны отдельные случаи высокой избирательности распределения. Так, изотопы йода накапливаются исключительно в щитовидной железе.
Очевидно, что «органотропные» радионуклиды опаснее «диффузных», так как их концентрации в тканях, а следовательно, и тканевые дозы при прочих равных условиях всегда имеют большую величину.
В процессе транспорта радионуклиды задерживаются в тканях, содержащих в своем составе аналогичные по химическим свойствам стабильные элементы. Так как химический состав важнейших органов и тканей человека в настоящее время изучен достаточно хорошо, с определенной вероятностью можно предсказать, в какие ткани или органы попадет тот или иной радионуклид.
Процесс перехода радионуклидов из межклеточной жидкости в органы завершается в течение определенного отрезка времени, истинное значение которого пока неизвестно, но экспериментальные данные свидетельствуют о том, что оно невелико. Так, плазма крови очищается от переходящих в скелет Сг и Са за 4—10 ч. Иод обнаруживается в щитовидной железе уже через несколько минут после внутривенного введения, а полный переход его из крови в щитовидную железу заканчивается в течение 10—15 ч. Уран выводится из крови за 12 ч.
Кроме описанного макрораспределения радионуклидов в организме, необходимо учитывать их микрораспределение в различных органах и тканях. Методом авторадиографии было показано, что остеотропные элементы, такие как Sr и Ra, накапливаются преимущественно в растущих участках трубчатых костей — метафизах и эпифизах, распределяясь там неравномерно и образуя так называемые горячие пятна. Локальные неоднородности распределения отмечаются и для других радионуклидов, например, для Ри и Th — в легких, скелете, печени, а для I — в щитовидной железе.
Неоднородность распределения излучателя в ткани влияет на величину и мощность тканевой дозы, что особенно существенно, если тканевые микроструктуры с повышенной концентрацией излучателя имеют высокую радиочувствительность, а пробеги испускаемых им частиц сравнимы с линейными размерами этих микроструктур.
Значительные неоднородности распределения тканевых доз наблюдаются вокруг радиоактивных частиц в органах дыхания, в
этом случае отношение Dmax/Dmm оказывается порядка нескольких сотен. Следствием больших неоднородностей микрораспределения радионуклидов в ткани являются специфически формирующиеся патологические процессы, например, цирроз печени, очаги склероза в легких и изменения в костной ткани, в том числе развитие остеосарком.
Радиобиологическая оценка пораженийинкорпорированными радионуклидами
Для количественной оценки уровня внутреннего облучения, как и в случаях внешнего воздействия, используют поглощенную дозу, выраженную в греях, с учетом коэффициентов ОБЭ. Однако следует помнить все ограничения применимости концепции ОБЭ, описанные в гл. 9. Применительно к воздействию инкорпорированных радионуклидов это особенно важно, ибо специфика внутреннего облучения, связанная с резко выраженной неравномерностью их распределения, сильно затрудняет использование ОБЭ. Исключение составляют случаи равномерного распределения радионуклидов во всех тканях организма или их накопления в органах, доступных для изолированного внешнего облучения.
При оценке малых уровней облучения, ограниченных областью радиационной защиты, используют эквивалентную дозу, рассчитываемую с помощью модифицирующих коэффициентов, учитывающих, прежде всего, характерные для тех или иных инкорпорированных радионуклидов концентрационные и временные условия формирования тканевых доз.
При попадании в организм больших количеств радиоактивных веществ, что чаще всего происходит в чрезвычайных условиях, развивается острое лучевое поражение, особенности которого определяются специфическими чертами инкорпорированного нуклида. Например, при инкорпорации радиоактивных изотопов фосфора или натрия, отличающихся относительно коротким периодом полураспада, равномерным распределением и достаточно жестким излучением, возникает типичная острая лучевая болезнь, не отличающаяся от развивающейся при внешнем общем облучении. При попадании органотропных радионуклидов разыгрываются различные варианты лучевого поражения с преимущественными проявлениями в тканях (где дозовая нагрузка максимальна), которые в этом случае становятся критическими.
Существенная особенность поражений при внутреннем облучении состоит в том, что особую опасность в таких случаях приобретают радионуклиды тяжелых элементов, испускающие не только р-, но и а-частицы. Обладая высокой ОБЭ, эти виды излучения, несмотря на малую проникающую способность, вызывают тяжелые повреждения эндотелия и эпителия воздухоносных путей и кишечника, в которых они оставляют всю свою энергию. Кроме того, в отличие от внешнего облучения, когда роль организма пассивна, при инкорпорированном воздействии организм играет активную роль в формировании тканевых доз из-за транспортных и метаболических процессов, обусловливающих накопление и выведение радионуклидов из определенных органов и тканей.
Существуют трудности, связанные с дозиметрией излучения инкорпорированных радионуклидов, главной задачей которой является исследование пространственного и временного распределения поглощенной дозы с учетом ЛПЭ и распределения радионуклидов по всем тканям и органам. Эта задачи может быть решена при сопоставлении теоретического и экспериментального определения количества радионуклидов в организме, а также особенностей их поведения в зависимости от анатомо-физиологических параметров отдельных тканей, органов и систем с учетом их цитокинетических характеристик.
Особенности поражений продуктамиядерного деления
Наибольшее практическое значение имеет изучение различных аспектов биологического действия различных инкорпорированных радионуклидов, попадающих в организм человека в профессиональных условиях. Наряду с этим, однако, в чрезвычайных обстоятельствах военного времени, а также в аварийных случаях в результате взрыва ядерного устройства может возникнуть поражение попавшими в организм продуктами ядерного деления (ПЯД), патогенез и клиника которых имеют свои особенности.
ПЯД представляют собой смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов средней части (от Zn до Gd) периодической системы Д.И. Менделеева. Поступая в организм, они в процессе обмена заменяют стабильные элементы и при распаде образуют нуклиды соседних групп периодической системы. Такие трансмутационные эффекты, а также возможность химических перестроек в результате радиоактивной отдачи, происходящей прй эмиссии
а-частиц и нейтронов, определяют некоторое своеобразие биологического действия ПЯД, которое в основном зависит от поглощенной дозы в органах преимущественного распределения радионуклидов, а также времени их полураспада и скорости выведения.
По способности накапливать радионуклиды основные органы располагаются следующим образом: щитовидная железа (максимум), печень, кишечник, почки, скелет, мышцы.
Уровень радиоактивности нуклидов в организме быстро снижается в результате распада короткоживущих изотопов. Так, в опытах на собаках показано, что уже через несколько часов после введения ПЯД в «возрасте» 6—8 ч уровень радиоактивности снижается до нескольких процентов от исходного, через 1 мес — до 1%, а через 3 мес — до десятых долей процента. В ближайший период после ядерного взрыва в ряде случаев возможно поступление «молодых» ПЯД с пищей и водой, как это, например, произошло в марте 1954 г., когда после термоядерного испытания на одном из атоллов в пищеварительный тракт жителей Маршалловых островов поступило около 100 МБк ПЯД. Их содержание к 82-му дню снизилось в 57 раз.
По скорости выведения нуклидов органы располагаются несколько иначе: щитовидная железа (максимум), печень, почки, селезенка, кожа, мышцы, скелет.
В результате быстро меняется и дозовая нагрузка, причем различия в поглощенных дозах в органах значительны (от 10 до 103 раз). Например, при введении ПЯД в «возрасте» 36 ч собакам соотношение поглощенных доз в щитовидной железе, кишечнике, печени и скелете составляет соответственно 1000:100:10:1. В самих органах, как свидетельствуют данные радиоавтографии, радионуклиды накапливаются также неравномерно, поэтому с учетом микрораспределения различия увеличиваются. Наконец, в формировании дозовых нагрузок принимают участие радионуклиды, циркулирующие в крови, что играет большую роль в период резорбции ПЯД, особенно для органов с интенсивным кровоснабжением.
Исходами острого поражения ПЯД могут быть клиническое выздоровление (через 2—3 мес), переход болезни в хроническую форму или смерть. Причиной смерти являются, прежде всего, повреждения желудочно-кишечного тракта и органов дыхания, приводящие к обезвоживанию организма, потере солей и интоксикации. Деструктивные изменения в других органах способствуют развитию острой сосудистой недостаточности.
Восстановительные процессы начинаются сразу же после поступления ПЯД в организм, однако они протекают в условиях продолжающегося облучения, вследствие чего их интенсивность находится в сложной зависимости от ряда факторов, характеризующих физические свойства нуклидов и состояние организма.
Естественно, что исход поражения инкорпорированными радионуклидами любой природы прежде всего зависит от эффективности выведения их из организма, на что в основном и направлены лечебные мероприятия.
Профилактика и лечение пораженийинкорпорированными радионуклидами
Поражение организма инкорпорированными радионуклидами может произойти в основном в условиях ядерного взрыва и лишь в крайне редких случаях в производственных условиях. Поэтому здесь будут коротко рассмотрены мероприятия, направленные на уменьшение поражений, вызываемых попаданием радиоактивных веществ на примере ПЯВ.
При попадании ПЯД (и любых других радионуклидов) внутрь предусматривается максимально раннее использование методов и средств, направленных на снижение их всасывания и ускорение выведения из организма нерезорбированных в желудке и кишечнике радионуклидов.
Те же меры показаны и при ингаляционном поступлении, ибо более половины радиоактивных веществ, попавших в органы дыхания в течение одного часа, ретроградным путем перемещается в полость рта, а затем заглатывается [Ильин Л.А. и др., 1975].
К числу таких мероприятий относятся: прием препаратов, сорбирующих радионуклиды, промывание желудка, назначение солевых слабительных (касторовое масло усиливает всасывание радионуклидов), а в последующем сифонных и обычных клизм, так как ПЯД могут длительно (до 1 сут и более) находиться в толстом кишечнике.
В качестве сорбентов используют адсорбар, полисурьмин, высоко окисленную целлюлозу, альгинат кальция, ферроцин и другие препараты.
Кроме того, медицинские мероприятия должны быть направлены на замену радионуклидов стабильными изотопами на всех этапах их метаболизма: в местах поступления, в процессе транспорта по кровеносной системе, в органах и тканях и на этапе выведения их из организма через почки и пищеварительный тракт. К числу таких мероприятий относится раннее, а еще лучше заблаговременное применение стабильного йода в виде KI с целью ускорения выведения 1311 — одного из биологически важных компонентов ПЯД. Чрезвычайная важность своевременной и правильной йодной профилактики будет рассмотрена при анализе радиологических последствий аварии на ЧАЭС (см. гл. 23).
Кроме того, осуществляется ряд мероприятий организационно-технического и санитарно-экологического порядка (обработка и дезактивация кожных покровов, молока и т. д.), рассмотрение которых выходит за рамки данной книги.
В заключение необходимо отметить, что лечение острого лучевого синдрома, развивающегося при облучении критических систем радионуклидами, основано на тех же принципах, что и терапия поражений после внешнего радиационного воздействия с применением дополнительных специфических мероприятий, обусловленных особенностями распределения и накопления радионуклидов в организме.
РЕЗЮМЕ
Радиоактивные вещества (радионуклиды) поступают в организм тремя путями — с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт (внутрь), с вдыхаемым воздухом в легкие (инга- ляционно) и через кожу (транскутанно).
При инкорпорированном облучении критическим оказывается орган, который получает наиболее высокую поглощенную дозу или усваивает наибольшее количество радионуклидов, играет определяющую роль в нормальном функционировании организма, обладает наибольшей радиочувствительностью.
При оценке уровня внутреннего облучения используют тканевую поглощенную дозу, выраженную в греях с учетом коэффициентов ОБЭ (памятуя об ограничениях применимости концепции ОБЭ).
Особую опасность при инкорпорированном воздействии приобретают радионуклиды тяжелых элементов, испускающих не только р-, но и а-частицы. Несмотря на малую прони- 292
кающую способность, эти излучения, обладая высокой ОБЭ, вызывают тяжелые повреждения эндотелия и эпителия воздухоносных путей и кишечника, в которых они расходуют всю свою энергию.
При оценке низких уровней облучения, ограниченных областью радиационной защиты, используют эквивалентную дозу, которую рассчитывают с применением модифицирующих коэффициентов, учитывающих специфические для инкорпорированных радионуклидов концентрационные и временные условия формирования тканевых доз.
Исход поражения любыми инкорпорированными радионуклидами прежде всего зависит от скорости и эффективности выведения их из организма, на повышение которых и направлены соответствующие лечебные мероприятия.
d ГЛАВА.
1 О ОПОСРЕДОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ
ОБЛУЧЕНИЯ. НАРУШЕНИЕ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ. ИЗМЕНЕНИЯ
В НЕКРИТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
ОРГАНИЗМА
Опосредованные реакции в необлученных тканях организма Дистанционные эффекты облучения в системе кроветворения и некритических системах
Угнетение иммунитета
Изменения основных биохимических процессов обмена веществ на разных этапах лучевого поражения организма
Опосредованные и дистанционныеэффекты облучения
При рассмотрении клеточной радиобиологии и особенно радиационных эффектов в организме неоднократно были описаны проявления различных лучевых реакций, которые не могли быть объяснены с позиций непосредственного действия ионизирующего излучения. Наиболее яркий пример такого рода опосредованных реакций — известное с давних пор болезненное состояние пациентов, подвергающихся локальному радиационному воздействию при лучевой терапии, которое по сходству с алкогольной интоксикацией организма получило название рентгеновского похмелья (нем. Rontgen Kater).
Независимо от конкретных механизмов первичная реакция, развивающаяся при общем облучении или при массированном облучении определенных сегментов тела, тоже не может быть объяснена повреждением критических систем и, следовательно, также требует признания ее опосредованного характера.
Не поддаются объяснению и локальные тканевые реакции, например ранняя преходящая эритема кожи, развивающаяся совершенно независимо от повреждения эндотелия сосудов и тем более от повреждения клеток кожи, так как она появляется задолго до этих изменений.
294
Все это свидетельствует о том, что в облученном организме наряду с непосредственными радиационными повреждениями одних тканей, органов и систем возникают реактивные (или взаимосвязанные), опосредованные изменения в других системах, которые не подвергались непосредственному радиационному воздействию.
Существование опосредованных радиационных влияний требует учета их определенного участия в любых лучевых реакциях, включая реакции клеточных популяций, подвергающихся локальному облучению в организме и находящихся под контролем его регулирующих систем и гуморальных факторов. Отсюда возникает задача расчленения непосредственного и опосредованного компонента в реакциях организма на облучение на всех уровнях организации, решение которой усложняется по мере усложнения объекта излучения.
Далеко не просто отнести многочисленные функциональные, биохимические и даже структурные нарушения органов и тканей к той или иной категории непосредственных или опосредованных реакций в организме. Во многих случаях эти вопросы пока еще являются предметом дискуссии и дальнейшего изучения. Останавливаясь лишь на отдельных сторонах данной проблемы, прежде всего, во избежание недоразумений в понимании ее сути, необходимо коротко рассмотреть вопросы терминологии.
Иногда непосредственные и опосредованные эффекты ионизирующих излучений обозначают соответственно как прямое и непрямое, или первичное и вторичное действие. Использование этих терминов для обозначения непосредственных и опосредованных лучевых реакций нецелесообразно, так как в радиобиологии им придается другой, физико-химический смысл (см. гл. 5).
Кроме того, часто опосредованное действие излучений называют дистанционным, поскольку во многих случаях регистрируемые эффекты проявляются вне облученных тканей. Однако эти понятия нельзя считать синонимами. Их значения могут совпадать, если рассматривать изменения вне облученного поля, так как в этом случае опосредованное влияние одновременно является и дистанционным. Повреждение же облученных клеток и тканей может быть не только непосредственным, но и опосредованным, или является интегральной реакцией, включающей дистанционное влияние в качестве одного из компонентов.
Иными словами, дистанционное действие всегда опосредованное, но опосредованное — не всегда дистанционное. Поэтому термин «опосредованное» действие радиации правильнее выражает сущность описываемого явления и поэтому заслуживает предпочтение.
Опосредованное действие ионизирующихизлучений на кроветворение
Распространенным способом выявления опосредованных, а именно дистанционных эффектов ионизирующих излучений на кроветворение является локальное облучение какого-либо сегмента тела с последующим сравнительным наблюдением за состоянием кроветворения в облученном и экранированном контралатеральном участках.
Результаты экспериментов на животных разных видов показали, что гибель и исчезновение клеток костного мозга происходят не только в облученных, но и в экранированных зонах, где они выражены, однако, в значительно меньшей степени.
На рис. 16.1 приведена изученная в нашей лаборатории динамика опустошения костного мозга 300 крыс в течение первых 48 ч после облучения. Видно, что в экранированной голени наблюдалось уменьшение общего числа клеток костного мозга уже через 1,5—3 ч после облучения; эффект достигал максимума (~25%) к 6-му часу и сохранялся на этом уровне до конца наблюдения.
296296Рис. 16.1. Динамика клеточно-го опустошения костного моз-га крыс, подвергнутых субто-тальному (одна конечность эк-ранирована) рентгеновскомуоблучению в дозе 10 Гр (по
296
296
А.Л. Выгодской, 1967):
7 — облученный костный мозг;2—экранированный костный мозг;3 — костный мозг при мнимом об-лучении (контроль)
Не исключено, что в первые три часа значительная часть эффекта является результатом стресса, вызванного самой процедурой облучения, о чем свидетельствуют результаты специальных опытов, проведенных на 190 крысах, подвергнутых мнимому облучению с выполнением всех связанных с ним процедур (см. рис. 16.1, кривая 3). Однако если влияние процедурного стресса и проявляется, то лишь в первые часы после воздействия; в поздние же сроки им можно пренебречь, ибо эффект мнимого облучения снижается к 6-му часу, а через 24 ч число клеток костного мозга возвращается к норме.
При анализе изменений числа клеток разных ростков в экранированном участке костного мозга установлено, что причинами его опустошения являются: перераспределение отдельных форменных элементов, подавление процессов клеточного деления (при продолжающемся выходе зрелых клеток на периферию) и гибель наиболее радиочувствительных элементов (эритробластов, мие- лобластов и лимфоцитов).
Существуют и другие данные, свидетельствующие о дистанционном влиянии облучения на кроветворение, например, об увеличении числа клеток с хромосомными аберрациями в экранированном костном мозге мышей [Варакина Н.Ф., Янушевская М.Н., 1966] и крыс [Керкис Ю.М. и др., 1964] после введения им тканевого экстракта облученных животных. Показательны также наблюдавшиеся многими авторами более выраженные изменения биохимических и морфологических показателей в костном мозге и селезенке при тотальном облучении по сравнению с локальным.
В настоящее время практически отсутствуют данные, свидетельствующие об опосредованном влиянии облучения на периферическую кровь. Имеющиеся суждения на этот счет основаны на неправильной интерпретации лимфопении, наблюдаемой при локальном облучении, которой без достаточных оснований приписывают дистанционную природу. На самом деле причина лимфопении в этих случаях определяется быстрой апоптотической гибелью наиболее радиочувствительных лимфоцитов, подвергающихся транзиторному облучению в токе крови при прохождении по сосудам через зону облучения.
Приведенные данные о дистанционном действии ионизирующих излучений на кроветворение дают основание считать, что оно вносит определенный вклад в изменения, наблюдаемые и в облученных участках кроветворных тканей как при локальном, так и при тотальном облучении. Об этом же свидетельствует усиление выраженности дистанционного влияния с увеличением объема
297
облучаемых тканей. Следовательно, такие изменения правильнее назвать опосредованными, тем более что в их формировании, очевидно, принимают участие регулирующие системы организма, в первую очередь центральная нервная и эндокринная системы, что особенно характерно при формировании функциональной неполноценности кроветворения в отдаленные сроки после облучения (см. гл. 17).
Оценивая относительную роль опосредованного компонента в общем эффекте лучевого поражения кроветворения, следует отвести ему второстепенное значение по сравнению с непосредственным повреждением. Об этом свидетельствуют результаты экспериментов, показавшие резкое повышение выживаемости облученных животных при экранировании незначительных участков костного мозга или при ослаблении их поражения созданием аноксии, например, наложением лигатуры на конечности (см. гл. 19).
Следовательно, ведущую роль в лучевом поражении кроветворения играют процессы, непосредственно протекающие в микроструктурах облучаемых клеток.
Нарушения в некритических системахоблученного организма
К числу нарушений в условно называемых некритическими (не ответственными за исход лучевого поражения организма) системах относят изменения в ЦНС, органах чувств, эндокринной и сердечно-сосудистой системах, печени, органах выделения, системе дыхания, органах размножения, костно-мышечной и других соматических системах. Это не исключает, однако, возможной роли изменений в этих системах в процессах пострадиационного восстановления организма, а также в формировании отдаленных последствий облучения. Более того, во многих случаях такого рода нарушения приобретают решающее значение, в связи с чем, как было показано на многочисленных примерах в гл. 12—15, понятие радиоустойчивости в отношении этих систем следует понимать как достаточно условное.
Не случайно в последние годы повысилось внимание многих исследователей к нарушениям, возникающим в различных стабильных (в цитокинетическом отношении) высокодифференцированных тканях. Это и понятно, ибо теперь, когда большое число вопросов патогенеза острого лучевого синдрома изучено достаточ- 298
но подробно, выявились «белые пятна» в результате своеобразных «находок» как в эксперименте, так и в клинике, свидетельствующих о весьма существенных для организма нарушениях, «неожиданно» регистрируемых в той или другой «не радиочувствительной» системе.
Такие «находки» в виде функциональных нарушений обнаружены практически во всех органах и системах животных и человека (речь не идет о таких стойких органических поражениях, обнаруживаемых в поздние сроки, как нефросклероз, пневмосклероз и т.п.). Поэтому здесь будут приведены лишь примеры нарушений в сердечно-сосудистой системе (к которой привлечено особое внимание в связи с развитием радиоангиокардиологии).
В нескольких докладах на V Международном конгрессе по радиационным исследованиям было обращено внимание на возникновение ранних изменений в сердце и сосудах. В одном из докладов показано, что при облучении перфузируемых препаратов сердца кроликов сокращаемость миокарда подавлялась, начиная с дозы 9 Гр, кровоток в коронарных сосудах уменьшался уже при дозе 3 Гр, а по достижении 17 Гр изучаемые показатели снижались на 48 и 61%, соответственно.
В другом докладе были продемонстрированы два типа механических реакций на облучение, возникающих в сосудах: 1 — немедленный ответ (латентное время — несколько секунд) — тонические мышечные сокращения, обратимые через несколько минут (в аорте крыс и лягушек) и полуобратимые (в аорте кролика) при дозах 2,5—10 Гр, а при дозах 10—30 Гр — обратимая немедленная релаксация почечной артерии крыс и кроликов; 2 — поздние (латентное время — несколько минут) и очень медленные (максимум 1 ч и более) тонические сокращения большой продолжительности (> 3 ч) аорты и легочной артерии морских свинок, голубей и цыплят после облучения в дозе ~ 30 Гр.
Было также сообщено о развитии отечности мышечной стенки аорты у кроликов (после облучения в дозах 8 и 10 Гр; регистрация с помощью световой микроскопии), предшествовавшей другим видимым изменениям; затем в основном веществе появлялись дискретные кальциевые гранулы, число и размеры которых со временем увеличивались. При электронной микроскопии обнаруживались изменения в vasa vasorum, дегенерация мышечных клеток и кальцификация миофибрилл.
Весьма показательны данные клинических наблюдений за больными лимфогранулематозом (81 чел.), подвергавшимися ежедневному у-облучению 60Со в области грудной клетки (средняя 299
доза на область сердца за 22—35 сеансов ~ 45 Гр). В 92% случаев через 12 мес после окончания лечения появились симптомы выпотного перикардита, причем у 24 больных выпот в перикарде был обнаружен рентгенологически. 11 больным была проведена катетеризация отделов правой половины сердца для подтверждения наличия выпота. У 14 больных выпот был преходящим, 5 больным из 11 произведено рассечение перикарда из-за тампонады сердца. Механизмы пострадиационного перикардита остались невыясненными.
Внимание к изменениям сердечно-сосудистой системы, как и других высокодифференцированных органов и систем, особенно ЦНС и эндокринной системы, впервые было привлечено российскими исследователями. Это самые ранние работы И.Ф. Тарханова и последующие широко известные экспериментальные исследования Л.А. Орбели, А.В. Лебединского, П.Д. Горизонтова, М.Н. Ливанова, Н.Н. Лифшиц, Ю.Г. Григорьева, С. Н. Александрова, а также клинические наблюдения М.И. Неменова, М.П. Домшлака и А.К. Гуськовой.
Угнетение иммунитета
Изменениям, которые происходят в иммунной системе, занимающей промежуточное место между критическими и некритическими системами организма, принадлежит особая роль в патогенезе лучевой болезни. Частично они рассматривались, например, при анализе причин инфекционных осложнений ОЛБ, а временная толерантность (вследствие массовой гибели лимфоцитов, являющихся иммунокомпетентными клетками) — при описании основ трансплантационной терапии лучевого синдрома (см. гл. 13).
Наиболее демонстративным проявлением радиационного повреждения иммунитета признаны иммунодефицит и повышение чувствительности к возбудителям инфекционных заболеваний, сопровождающиеся количественными и качественными изменениями нормальной микрофлоры организма, в частности кишечника.
Причинами иммунодепрессии и иммунодефицита, развивающихся вскоре после облучения, являются гибель, повреждение функции и миграционных свойств лимфоцитов, а также нарушение количественного соотношения субпопуляций лимфоцитов и их функциональных взаимодействий. Как показали работы А.А. Ярилина (1981), изучавшего клеточные механизмы действия 300
радиации на иммунитет, нарушение нормальных количественных соотношений субпопуляций лимфоцитов обусловлено их различной радиочувствительностью: В-клетки более радиочувствительны, чем Т-клетки; Т2-лимфоциты и кортизончувствительные формы поражаются сильнее, чем соответственно Т-лимфоциты и кортизонустойчивые. Однако численность В-клеток восстанавливается быстрее, чем численность Т-клеток. В результате создающийся сразу после облучения относительный избыток Т-клеток сменяется периодом, когда иммунный ответ лимитирует их численность. Это определяет различную эффективность введения Т- и В-клеток в разные сроки после облучения.
Основное проявление индуцируемого облучением миграционного дефекта лимфоцитов, разумеется, кроме резкого уменьшения их численности, состоит в нарушении способности выживших циркулирующих клеток проникать в лимфатические узлы. Нарушение миграции Т-лимфоцитов в лимфатические узлы — очень устойчивый радиационный эффект, вследствие которого замедляется темп восстановления численности Т-клеток и уровня тимус - зависимого ответа, что составляет причину позднего иммунодефицита.
Нормализация функции лейкоцитов осуществляется параллельно с восстановлением их численности и связана, вероятно, с замещением переживших облучение клеток вновь образованными. Параллельно с восстановлением функции Т- и В-клеток нормализуется их способность к кооперации.
Значительно менее выражены клеточные нарушения иммунитета при местном облучении, в частности при лучевой терапии опухолей. В этом случае активно циркулирующие Т-клетки поражаются в большей степени, чем слабо рециркулирующие В-клетки, что легко объяснить, ибо наблюдающаяся лимфопения при локальном облучении является, как упоминалось, следствием быстрой апоптотической гибели лимфоцитов, проходящих с током крови через зону облучения.
Таковы основные причины и механизмы клеточных аспектов иммунологической депрессии, возникающей после облучения.
Нарушение антимикробного иммунитета и связанные с ним инфекционные осложнения можно рассматривать и как следствие повышения проницаемости тканевых барьеров, нарушения фагоцитарной способности клеток ретикулоэндотелиальной системы и угнетения неспецифических бактерицидных систем организма — пропердина, лизоцима, бактерицидных субстанций ряда тканей, а также бактерицидности кожи. Кроме того, облучение уг-
Действие радиации
Рис. 16.2. Последовательность процессов, связанных с изменением антигенных свойств тканей и циркуляцией тканевых антигенов после облучения (по Р. В. Петрову, 1962)
нетает образование новых антител, хотя если оно произведено после иммунизации, то это почти не сказывается на их продукции.
Определенное значение в иммунологических расстройствах имеют развивающиеся в облученном организме аутоиммунные процессы, изучение которых составляет самостоятельный раздел неинфекционной иммунологии.
Аутоантигенами в принципе могут быть как нормальные, так и патологически измененные белки и связанные с ними вещества. После облучения создается реальная возможность столкновения организма с аутоантигенами обоих видов вследствие быстро развивающейся тканевой деструкции, резкого повышения проницаемости биологических барьеров и изменения антигенных свойств тканей.
На рис. 16.2 представлена схема, иллюстрирующая возможные патологические сдвиги в облученном организме, связанные со 302
структурными изменениями тканевых антигенов и их циркуляции. После облучения происходит утрата части нормальных антигенов и появление новых антигенных качеств. Кроме того, летальные повреждения клеток могут обусловить появление новых антигенных свойств белков. Потеря части нормальных антигенов, означающая утрату определенных структур, может быть причиной нарушения определенных функций клеток и органов. Это, а также клеточная деструкция и циркуляция в крови тканевых антигенов способствуют развитию токсемии. Кроме того, циркуляция в крови тканевых антигенов приводит к иммунологической перестройке организма — сенсибилизации и образованию антител двух видов — против денатурированных белков и против аутотканей. Уже в момент появления антигенной чужеродности измененные белки могут быть причиной патологической афферентной импульсации, которая в дальнейшем, воздействуя на хеморецепторы, обеспечивает патологическое влияние через нервную систему.
Таким образом, в настоящее время твердо установлены факты, характеризующие все этапы аутоиммунологических изменений в облученном организме: образование аутоантигенов, их циркуляцию, появление аутоантител и аутосенсибилизацию.
Н.П. Клемпарская, известный исследователь в этой области, отражая собственную точку зрения, сильно преувеличивает, на наш взгляд, роль аутоаллергии в патогенезе лучевой болезни, которая рассматривается как своеобразное аутоиммунное заболевание, характеризующееся «...сильной направленностью реакций против распада собственных тканей в сторону сенсибилизации. Именно это придает болезни особенно тяжелый характер и может, в частности, быть причиной развития некротических процессов и геморрагий».
Признавая определенную роль аутоиммунных процессов в патогенезе непосредственных и отдаленных последствий облучения организма, следует помнить, однако, что первопричины острого лучевого синдрома состоят в клеточных утратах в основных критических системах клеточного обновления.
Изменениям иммунитета у облученных людей могут способствовать, кроме аутоиммунных, развитию аллергических заболеваний, злокачественных новообразований и хронизации воспалительных процессов.
До недавнего времени основные сведения о радиационно-индуцированных нарушениях иммунитета у человека ограничивались данными наблюдений за людьми, перенесшими атомную бомбардировку в Японии, и отдельными случаями острого ава-
303
рийного облучения. И только в последние годы прошедшего столетия мировой научной общественности стали доступны рассекреченные сведения об авариях, имевших место в 50-х годах на крупнейшем предприятии атомной промышленности СССР, производственном объединении «Маяк», расположенном в Челябинской области.
В значительной мере эти аварии явились следствием отсутствия надлежащего опыта и знаний в обращении с радиоактивными отходами, в большом количестве образующимися при получении оружейного плутония, а также характерного для той эпохи форсирования далеко не совершенного в то время технологического процесса. С 1949 по 1956 г. значительную часть сточных вод, содержащих большое количество радиоактивных веществ, удаляли в реку Теча. Это привело к радиоактивному загрязнению водной системы Теча — Исеть — Тобол — Иртыш — Обь и облучению жителей прибрежных населенных пунктов. Период 1951 — 1955 гг. определяет ~ 98% всей сброшенной активности при средней активности 4300 Ки/сут, не считая непредусмотренные «дикие» сбросы, величину которых не регулировали и не контролировали. Активность при таких «диких» сбросах достигала 100 000 Ки/сут.
Кроме того, 29 сентября 1957 г. произошел термохимический взрыв емкости — хранилища радиоактивных отходов, который привел к радиоактивному загрязнению значительной территории Уральского региона (Восточно-Уральский радиоактивный след, ВУРС) и облучению населения.
В результате этих аварийных событий подверглись многолетнему внешнему и внутреннему облучению в широком диапазоне доз десятки тысяч людей обоего пола, разного возраста (в том числе облученные внутриутробно), принадлежащие к двум основным этническим группам — русской и башкиро-татарской.
Дозообразующими радионуклидами при сбросе сточных вод были 89Sr, 9t)Sr и I37Cs, основными из которых являлись два последних долгоживущих радионуклида. Состав аварийного выброса при взрыве был представлен большим количеством радионуклидов, но
в формировании ВУРС основную дозовую компоненту также составил долгоживущий 90Sr. Критическими органами поэтому в обоих случаях оказались костная ткань и костный мозг.
На протяжении всех последующих лет осуществлялись измерения содержания радионуклидов в различных объектах окружающей среды ( воде, донных отложениях, почве и растениях) и продуктах питания местного производства, у-фона, а также наблюдение за здоровьем населения, подвергшегося хроническому облучению.
По мере удаления от места сброса радиоактивных отходов, а также со временем дозовая нагрузка снижалась, что было обусловлено радиоактивным распадом, разбавлением и рассеиванием примеси в водотоке и особенно «поглощением» радионуклидов донными отложениями и биомассой. На территории ВУРС наиболее интенсивно спад уровней у-излучения и общей плотности радиоактивного загрязнения происходил в первый год после аварии за счет физического распада наиболее короткоживущих радионуклидов, а затем и относительно короткоживущих 95Zr и I06Ru. Мощность экспозиционной дозы у-излучения через один год снизилась в 18 раз, через 25 лет — в 2600 раз, а через 40 лет — в 4100 раз. Плотность загрязнения территории по смеси радионуклидов за 40 лет снизилась почти в 50 раз [Аклеев А.В. и др., 2001].
Детально материал рассмотрен в вышеуказанных книгах; здесь остановимся лишь на основных дозиметрических параметрах и данных, касающихся изменений иммунитета и зарегистрированных при хроническом облучении на примере населения побережья р. Теча.
На рис. 16.3 показана динамика содержания радиоактивного стронция в скелете взрослого населения верхнего и среднего течений р. Теча с 1951 по 1980 г. в сравнении с глобальными уровнями. Видно, что уже с первых лет загрязнения реки имеются данные об инкорпорированном в скелете 90Sr. При этом, хотя за 40-летний период наблюдения его уровни уменьшились более чем на порядок величины, «речной» 90Sr все еще остается на два порядка выше глобального уровня этого радионуклида.
При оценке изменений иммунитета в зависимости от радиационной нагрузки при хроническом облучении наиболее правомерно сопоставление изучаемых иммунологических параметров с эквивалентными дозами в красном костном мозге (ККМ), посколь- 305
Рис. 16.3. Динамика содержания 90Sr в организме взрослых жителей прибрежных сел реки Теча в сравнении с глобальными уровнями (по А.В. Аклееву и др., 2001):
■ — данные измерений аутопсийного материала; • — результаты измерений СИЧ
ку он является матриксом регенерации иммунокомпетентных клеток. Как показал анализ проведенных исследований, многолетнее сочетанное (внешнее и внутреннее) облучение привело к формированию этих доз в огромном диапазоне — от нескольких мЗв до 4000 мЗв. Для подкогорты «основных» жителей, облучившихся в период максимальных сбросов, кумулятивная средняя доза (мода функции распределения) лежит между 0,2 и 0,5 Гр (что сопоставимо со средними дозами у выживших после атомной бомбардировки японцев), причем 75—85% ее накопилось за первые десять лет.
Через 2—4 года после начала радиационного воздействия отмечались признаки снижения антиинфекционной резистентности, которая, как известно, отражается на взаимоотношении организма с микрофлорой кожи и слизистых оболочек. Через 6 лет хронического облучения, при средней накопленной дозе 85 сЗв на ККМ к этому сроку, было выявлено подавление барьерных антимикробных функций кожи и слизистых, понижение фагоцитарной активности нейтрофилов и угнетение способности продуцировать антитела. Как видно на рис. 16.4, заметные изменения по данному критерию отмечаются при средней дозе 85 сЗв (диапазон доз 35—145 сЗв), а также при ХЛБ; при меньших дозах изученные показатели не отличаются от контроля. С учетом того, что наибольшие радиационные нагрузки имели место в первые два года после 306
Рис. 16.4. Глубина (%) угнетения иммунитета по результатам анализа аутомикрофлоры кожи
начала радиоактивных сбросов, пороговой дозой (по критерию аутомикрофлоры кожи) посчитали 30—40 сЗв/год.
Угнетение фагоцитоза чаще наблюдалось в зрелом и пожилом возрасте; у лиц старше 30 лет в 54% случаев, а у более молодых — в 17%. Снижение фагоцитарной активности нейтрофилов наблюдалось и у практически здоровых людей при накопленных дозах 20, 15 сЗв и менее, причем в случае обострения у них хронических воспалительных заболеваний этот показатель снижался, что может свидетельствовать о незначительности и обратимости снижения функции нейтрофилов.
На основании анализа этих многолетних наблюдений авторы, выявившие аналогичные изменения иммунитета у подвергшихся облучению практически здоровых людей, рассматривают ранние изменения иммунитета в качестве первичной лучевой реакции здорового организма, причем иммунная система в условиях хронического радиационного воздействия обладает хорошими компенсаторно-приспособительными возможностями. Это и понятно, если учесть ярко выраженные регенерационные возможности системы кроветворения.
Анализ полученных данных об изменениях иммунитета, наблюдавшихся у части людей уже в первые годы после начала облу-
чения, дает основания для заключения о том, что эти изменения связаны и с нерадиационными факторами окружающей среды. При этом следует учесть, что облучение людей началось в тяжелые послевоенные годы, когда многие недоедали, занимались тяжелым физическим трудом, имела место высокая инфекционная заболеваемость, что не могло не сказаться на исходном состоянии здоровья облученных людей.
Исследования, проведенные через 20 лет после начала облучения (средняя накопленная доза на ККМ — 60,8 сЗв),показали, что факторы, характеризующие естественную иммунологическую резистентность организма, восстановились, хотя у части людей (у 19,1% облученных лиц и у 5,7% в контрольной группе) отмечались некоторые лабораторные признаки аутоаллергизации. Вместе с тем проводившиеся в это время эпидемиологические исследования не позволили отметить увеличения частоты аутоаллергических или аутоиммунных заболеваний и смертности от них. Отсутствие учащения инфекционных заболеваний свидетельствовало о достаточности восстановления противоинфекционного иммунитета.
Несмотря на компенсацию иммунологических расстройств, наблюдающихся при хроническом облучении в дозах, превышающих 20 сЗв, длительные (многолетние) сроки их сохранения могут иметь значение для развития отдаленных соматических эффектов, прежде всего злокачественных новообразований. Этот вопрос, однако, до последнего времени не изучен и остается предметом будущих исследований.
Нарушение обмена веществ
Радиационные изменения, происходящие под влиянием облучения по существу во всех тканях, не могут не сказаться на обмене веществ. Этими вопросами занимается радиационная биохимия, которая, как и другие разделы радиобиологии, является самостоятельной областью знаний; здесь лишь будут намечены основные аспекты наблюдающихся в организме радиационно индуцированных метаболических нарушений.
Обсуждая биохимические процессы, происходящие в подвергнутом облучению организме, следует всегда иметь в виду необходимость их деления на две категории: 1 — биохимический этап в механизме первичного действия ионизирующих излучений и 2 — био- 308
химические изменения, происходящие в организме при развитии ОЛБ и ее отдаленных последствий.
О биохимическом этапе первичного действия ионизирующих излучений частично речь шла в гл. 5. Следствием этих процессов являются такие важные цитологические события, как мутации, в частности разрывы хромосом и частично повреждения, вызывающие апоптоз.
О том, что разрыв хромосомы — значительно более сложное событие, чем результат механического повреждения, возникающего при прохождении ионизирующей частицы (нескольких частиц), свидетельствует хотя бы существование химического мутагенеза, биохимическая природа которого не подлежит сомнению.
Свидетельством механического компонента хромосомного разрыва можно считать зависимость выхода хромосомных аберраций от ЛПЭ, однако разрыв не обязательно происходит в месте прохождения частицы. Это кажущееся противоречие частично устраняется принятием гипотезы о высвобождении (вследствие радиационного нарушения внутриклеточных структур) ферментов с последующей их активацией и нарушением пространственной координации. Повреждение ядерных и других внутриклеточных мембран облегчает возможность ферментативной атаки ДНК.
О важности и реальности феномена раннего повреждения мембран свидетельствуют ранние оригинальные эксперименты Р. Бринкмана, в которых было обнаружено нарушение проницаемости синовиальной оболочки и тонких слоев эпидермиса уже в первую секунду после облучения в дозе 2 Гр.
Начиная с работ 40-х годов прошлого столетия известна высокая радиочувствительность процесса биосинтеза ДНК. Существуют данные о нарушении самых ранних этапов синтеза предшественников ДНК— мононуклеотидов, фосфорилирования тимидинмонофосфата до тимидинтрифосфата, а также конечных этапов синтеза — полимеризации трифосфатов дезоксинуклеотидов на матрице.
Биосинтез РНК более резистентен, чем биосинтез макромолекул ДНК. По-видимому, радиационное угнетение биосинтеза РНК определяется не недостатком предшественников или снижением активности РНК-полимеразы, а опять же повреждением ДНК-матрицы вплоть до того, что она сама вызывает ингибирование активности этого фермента. Наиболее радиорезистентен процесс синтеза белка. Причем экспериментальный материал в этом направлении получен в основном при работе с мечеными аминокислотами, включение которых в суммарные тканевые белки изучали спустя длительное время после облучения.
Одной из самых лабильных и рано ингибируемых биохимических систем является окислительное фосфорилирование (ОФ), особенно в клетках радиочувствительных органов. Разобщение ОФ в митохондриях селезенки отмечается в ближайший пострадиационный период при дозе 1 Гр. В ядрах клеток костного мозга, слизистой кишечника и лимфатических узлах крыс ОФ ингибируется или даже прекращается уже через 1 ч после облучения в дозах 0,25—0,5 Гр. При 1 Гр восстановление этого процесса происходит только через 5 сут. В радиорезистентных органах обратимое разобщение ОФ наступает только при минимально летальных дозах.
Приведенных данных, однако, недостаточно, чтобы приписать и этому биохимическому процессу ведущую роль в определении радиочувствительности, если учесть, что применение типичных разобщителей окислительного фосфорилирования, например динитрофенола, не оказывает радиосенсибилизирующего действия, а радиопротекторы, например аминотиолы, угнетают этот процесс.
Перечисленные ранние нарушения основных биохимических процессов могут усиливаться в результате развития в ядре и цитоплазме вторичных процессов в ранние сроки после облучения. Например, накопление некоторых метаболитов ДНК при активации процессов катаболизма может привести к угнетению отдельных ферментативных реакций ее синтеза. Изменение проницаемости мембран, происходящее после облучения, может повлечь за собой обеднение ядра ионами металлов или некоторыми важными метаболитами. Этот же процесс может привести к выходу в цитоплазму самых разнообразных, в том числе катаболических, ферментов.
Таким образом, регуляция обменных процессов после облучения нарушается не только на молекулярном, но и на структурном уровне. Развиваясь, суммируясь и взаимно влияя друг на друга, эти процессы вызывают изменения в разных тканях. Это, в свою очередь, обусловливает возникновение межтканевых и межсистемных повреждений в организме, выражением которых и являются разнообразные нарушения обмена веществ, наиболее ярко проявляющиеся в периоды разгара ОЛБ и непосредственного восстановления.
Значительные нарушения белкового обмена определяются прежде всего массовой клеточной деструкцией радиочувствительных тканей, сопровождающейся уже на ранних этапах повышенным содержанием азотсодержащих веществ в крови, выделением таурина (рис. 16.5) и других аминокислот с мочой. Эти показатели наряду с анализом метаболитов нуклеинового обмена (например, 310
дезоксицитидина) используют как раннюю диагностическую реакцию на облучение. О нарушении обмена белков свидетельствуют также описанные выше угнетение выработки антител и других специфических иммунных белков, нарушение их антигенной структуры и т.п. Существуют данные об активации облучением многих ферментов — протеиназ, триптофаноксидазы, карбоксипептидазы, щелочной и кислой фосфатаз, описано резкое усиление синтеза гемина и ослабление синтеза глобина (после кратковременной активности) в ретикулоцитах. Активация протеолитических ферментов, с которой в значительной степени связывают распад тканевых белков, в свою очередь, по-видимо- му, является не только следствием повышения проницаемости мембран клеточных органелл, но и результатом нарушения регуляции со стороны гипофизадрена- ловой системы.Значительно более устойчив обмен углеводов, синтез которыхдезоксицитидина) используют как раннюю диагностическую реакцию на облучение. О нарушении обмена белков свидетельствуют также описанные выше угнетение выработки антител и других специфических иммунных белков, нарушение их антигенной структуры и т.п. Существуют данные об активации облучением многих ферментов — протеиназ, триптофаноксидазы, карбоксипептидазы, щелочной и кислой фосфатаз, описано резкое усиление синтеза гемина и ослабление синтеза глобина (после кратковременной активности) в ретикулоцитах. Активация протеолитических ферментов, с которой в значительной степени связывают распад тканевых белков, в свою очередь, по-видимо- му, является не только следствием повышения проницаемости мембран клеточных органелл, но и результатом нарушения регуляции со стороны гипофизадрена- ловой системы.Значительно более устойчив обмен углеводов, синтез которыхВремя после облучения, чВремя после облучения, чРис. 16.5. Экскреция таурина (по Г. Каю, Дж. Энтерману, 1959):Рис. 16.5. Экскреция таурина (по Г. Каю, Дж. Энтерману, 1959):/ — контрольные крысы; 2—после облу-чения в дозе 1 Гр; 3 — после облученияв дозе 6 Гр; вертикальной пунктирнойлинией отмечен момент облучения/ — контрольные крысы; 2—после облу-чения в дозе 1 Гр; 3 — после облученияв дозе 6 Гр; вертикальной пунктирнойлинией отмечен момент облучения
дезоксицитидина) используют как раннюю диагностическую реакцию на облучение. О нарушении обмена белков свидетельствуют также описанные выше угнетение выработки антител и других специфических иммунных белков, нарушение их антигенной структуры и т.п. Существуют данные об активации облучением многих ферментов — протеиназ, триптофаноксидазы, карбоксипептидазы, щелочной и кислой фосфатаз, описано резкое усиление синтеза гемина и ослабление синтеза глобина (после кратковременной активности) в ретикулоцитах. Активация протеолитических ферментов, с которой в значительной степени связывают распад тканевых белков, в свою очередь, по-видимо- му, является не только следствием повышения проницаемости мембран клеточных органелл, но и результатом нарушения регуляции со стороны гипофизадрена- ловой системы.
Значительно более устойчив обмен углеводов, синтез которых
дезоксицитидина) используют как раннюю диагностическую реакцию на облучение. О нарушении обмена белков свидетельствуют также описанные выше угнетение выработки антител и других специфических иммунных белков, нарушение их антигенной структуры и т.п. Существуют данные об активации облучением многих ферментов — протеиназ, триптофаноксидазы, карбоксипептидазы, щелочной и кислой фосфатаз, описано резкое усиление синтеза гемина и ослабление синтеза глобина (после кратковременной активности) в ретикулоцитах. Активация протеолитических ферментов, с которой в значительной степени связывают распад тканевых белков, в свою очередь, по-видимо- му, является не только следствием повышения проницаемости мембран клеточных органелл, но и результатом нарушения регуляции со стороны гипофизадрена- ловой системы.
Значительно более устойчив обмен углеводов, синтез которых
Время после облучения, ч
Время после облучения, ч
Рис. 16.5. Экскреция таурина (по Г. Каю, Дж. Энтерману, 1959):
Рис. 16.5. Экскреция таурина (по Г. Каю, Дж. Энтерману, 1959):
/ — контрольные крысы; 2—после облу-чения в дозе 1 Гр; 3 — после облученияв дозе 6 Гр; вертикальной пунктирнойлинией отмечен момент облучения
/ — контрольные крысы; 2—после облу-чения в дозе 1 Гр; 3 — после облученияв дозе 6 Гр; вертикальной пунктирнойлинией отмечен момент облучения
если и нарушается, то только в поздние стадии лучевого поражения как результат глубокого патологического изменения органа. Наблюдаемые сдвиги в содержании гликогена в крови и печени в значительной степени связаны с нарушениями регуляции со сто
роны надпочечников и частично с повреждением самих печеночных клеток [Граевская Б.М., 1976]. Относительно большей радиочувствительностью обладают высокополимерные полисахариды, выполняющие специальные функции во многих тканях и жидкостях организма. В частности, деполимеризация гиалуроновой кислоты, регулирующей проницаемость соединительной ткани, наступает рано и уже при дозах 5— 10 Гр. С деполимеризацией мукополисахаридов связывают резкое усиление диффузии введенных в
кожу различных красителей под влиянием облучения в дозах 1 Гр и выше.
Некоторыми авторами уделяется большое внимание радиационно-индуцированным нарушениям липидного обмена. Благодаря легкой окисляемости липидов, усиливающейся под действием облучения, образуются пероксиды, которые участвуют в первичных пострадиационных процессах в форме органических свободных радикалов. В России детальные исследования роли нарушений липидного обмена в радиационной патологии и противолучевой защите проводятся школами Б.Н. Тарусова, Н.М. Эмануэля, Ю.Б. Кудряшова и Е.Б. Бурлаковой.
Н.М. Эмануэлем, в частности, постулировались представления о значении свободнорадикальных процессов, включая развитие цепных реакций в облученной клетке, и возможности их ингибирования различными антиоксидантами как до, так и после облучения. Например, согласно ранним данным Е.Б. Бурлаковой, развивающей эту концепцию, антиокислительная активность после облучения животных в среднелетальных дозах в радиочувствительных органах — селезенке — падает практически до нулевых значений, в то время как при меньших дозах и в радиорезистент- ных органах ее падение выражено в гораздо меньшей степени. В последние годы Е.Б. Бурлакова с сотрудниками занимается изучением регуляторной роли липидов мембран в клеточном метаболизме в условиях лучевого поражения.
Заключая данный раздел, нельзя не отметить, что облучение организма в летальных дозах вызывает очень незначительные изменения общего обмена веществ в организме, развивающиеся в основном незадолго до гибели животного; причем наблюдающиеся проявления во многом связаны с диспептическими расстройствами и потерей электролитов.
В этой связи интересны обобщения, сделанные И.Н. Кенды- шем (1974) на основании анализа литературы о биохимических аспектах радиобиологического эффекта на уровне организма, которые, на наш взгляд, остаются справедливыми и по сей день. Автор, справедливо критикуя существующую в радиобиологии тенденцию рассматривать происхождение биохимических изменений с точки зрения универсальности действия радиации на процессы обмена веществ в различных системах организма и у разных объектов, рассматривает три категории изменений обменных процессов в облученном организме, происходящих в радиочувствительных и радиорезистентных тканях.
В радиорезистентных тканях (мышцах, головном мозге и др.) метаболические сдвиги невелики или отсутствуют, а в радиочувствительных тканях, многие клетки которых претерпевают интерфазную гибель уже через несколько минут после облучения, происходят существенные биохимические изменения, выражающиеся в ингибировании синтеза ДНК и активации аэробного гликолиза. Позднее нарушаются и другие метаболические процессы, которые являются следствием более грубых деструктивных изменений клеточной организации, сопутствующих предсмертному состоянию клеток; для этого периода характерны угнетение всех биосинтетических процессов и резкое усиление катаболизма с выделением различных клеточных компонентов.
В отличие от этого в печени облученных животных преобладает анаболический тип обменных сдвигов, выражающийся в усилении синтеза углеводов, липидов, белков и РНК. Анализируя результаты собственных исследований, автор считает, что активация биосинтеза основных метаболических субстратов в печени есть следствие регуляторных эффектов, вызываемых метаболитами радиочувствительных тканей, прежде всего аминокислотами.
Обобщая большой экспериментальный материал и литературные данные, И.Н. Кендыш приходит к заключению о том, что «... продукты распада радиочувствительных тканей, вступая во взаимодействие с различными структурами организма, прежде всего с печенью, определяют ряд биохимических процессов, связанных единым происхождением или последовательностью метаболических реакций». Согласно развиваемой автором концепции, «между изменениями различных видов обмена в печени облученных животных существует взаимообусловленность, последовательность которой можно представить следующим образом. Аминокислоты, освободившиеся в радиочувствительных тканях вследствие их деструкции, подвергаются в печени дезаминированию и пере- аминированию и превращаются путем глюконеогенеза в глюкозу и гликоген. Избыточное количество новообразованной глюкозы поступает в кровь и с помощью инсулина вторично мобилизуется в печени и других тканях, где вовлекается в синтез гликогена путем глюконеогенеза. Эти процессы лежат в основе гипергликемии и увеличения содержания гликогена в печени после облучения. Сопряженное с активизацией глюконеогенеза торможение гликолиза приводит к угнетению синтеза липидов из глюкозы и компенсаторному усилению липогенеза из ацетата и жирных кислот с последующим выделением синтезированных липидов в плазму крови. Временная интенсификация синтеза липидов в жировой ткани
из глюкозы обусловлена усилением глюконеогенеза в печени и ассимиляцией избытка периферической глюкозы. По такому же механизму, очевидно, усиливается липогенез в жировой ткани из ацетата и жирных кислот, которые в повышенном количестве образуются в печени, а затем утилизируются в жировой ткани. Накапливаясь в печени, свободные аминокислоты индуцируют синтез белков плазмы крови и, возможно, синтез ключевых ферментов глюконеогенеза — аминотрансфераз и некоторых других ферментов, контролирующих обмен аминокислот в печени. Развитие отрицательного азотистого баланса после облучения является следствием усиленной экскреции аминокислот, продуктов распада нуклеиновых кислот и других азотистых веществ, большое количество которых освобождается в радиочувствительных тканях, но не ассимилируется организмом».
Хотя приведенная концепция нуждается в экспериментальной проверке, привлекательность изложенных в ней положений в том, что в их рамки «... укладывается весь основной комплекс пострадиационных изменений углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. С этой точки зрения становится объяснимой фазность этих процессов, отражающая кинетику деструкции радиочувствительных тканей, трансформацию продуктов их распада в активные метаболиты и переход их в общую циркуляцию. Таким образом, распад радиочувствительных тканей можно рассматривать в качестве первичного патогенетического звена нарушений межуточного обмена веществ при ОЛБ». Тем самым сложную и запутанную картину нарушений биохимических процессов удается свести в стройную единую систему, отведя каждому из них свое место на разных этапах лучевого поражения.
Остальные, в большинстве своем мало выраженные биохимические нарушения, возможно, играют определенную роль в механизме опосредованного и дистанционного действия облучения, составляя основу его токсического компонента.
Понятие радиотоксины впервые было предложено П.Д. Гори- зонтовым (1958) для обозначения не каких-то определенных веществ, а самых различных неидентифицированных гуморальных агентов, возникающих в тканях под действием облучения. Будучи экстрагированными из тканей или из оттекающих от облученных участков крови и лимфы, такие агенты при их введении интактным животным вызывали у них разнообразные опосредованные и дистанционные проявления лучевых реакций. Радиотоксинами могут быть как аномальные метаболиты, так и вещества, свойственные нормальному состоянию, но образующиеся в облученном 314
организме в избыточном количестве, например, гормоны, продукты обмена веществ и распада тканей и др.
Наиболее наглядно токсическая природа дистанционных эффектов в организме представлена при местном облучении. В этом случае выраженность их зависит как от объема, так и от локализации облученного участка, определяющих, с одной стороны, уровень и «качество» образующихся токсических метаболитов, а с другой — возможность их «разведения» в необлученных зонах организма. Кроме того, возникающие токсины воздействуют и на нейроэндокринный аппарат, что служит причиной ряда опосредованных эффектов, типичным примером которых можно считать вышеупомянутое состояние «рентгеновского похмелья».
Часто можно встретить утверждения о том, что при общем облучении токсический компонент вообще отсутствует или не играет никакой роли. Однако если признать роль радиотоксических факторов в развитии дистанционных и опосредованных эффектов при местном облучении (а для этого есть все основания), то нельзя отрицать, что те же факторы оказывают аналогичное влияние на организм и при общем облучении. Само собой разумеется, что они имеют несравненно меньшее прогностическое значение, чем непосредственное действие излучения, и тем не менее ими не следует пренебрегать. В частности, при лечении ОЛБ следует помнить о необходимости мер, направленных на детоксикацию облученного организма — ранних кровопусканий с последующим введением кровезаменителей, а также применения различных детоксикато- ров, антигистаминных средств и др. (см. гл. 13).
РЕЗЮМЕ
Биологические эффекты облучения в основном являются следствием непосредственного воздействия радиации, наряду с которым определенный вклад вносит ее опосредованное (дистанционное) действие.
На клеточном уровне опосредованное действие получило в последнее время специальный термин — коммунальный эффект (bystander effect).
1 Представления о токсических веществах, образующихся в облученных тканях, не следует смешивать с позднее введенным понятием «первичные радиотоксины», которым приписывали роль инициаторов первичных процессов лучевого поражения.
Наиболее ярко опосредованные эффекты проявляются на уровне организма, в частности, в виде изменений клеточных показателей в экранированном костном мозге, аналогичных наблюдаемым в клетках его облученных участков (abscopal effect).
Возникновение и развитие опосредованных эффектов облучения в большой степени связано с образованием токсемии, вызванной различными метаболитами (радиотоксинами), образующимися в облученных тканях.
Во многих стабильных (в цитокинетическом отношении), высоко дифференцированных органах и системах, условно называемых некритическими (так как они не отвечают за исход лучевого поражения организма^возникают функциональные нарушения, имеющие важное значение в формировании некоторых отдаленных последствий облучения, например нефро- или кардиосклероза.
К числу универсальных реакций организма на острое и хроническое облучение относятся изменения в его иммунной системе, в основном обратимые, но длительно сохраняющиеся, а потому осложняющие инфекционные осложнения, а также способствующие развитию отдаленных последствий.
Интегральной реакцией организма на многочисленные изменения, в разной степени возникающие во всех органах и системах под влиянием облучения, являются нарушения обмена веществ, регистрируемые на всех этапах лучевой болезни. Вероятно, многие из этих биохимических изменений играют определяющую роль в опосредованном действии облучения — его радиотоксического компонента. Как правило, эти метаболические нарушения имеют обратимый характер и не требуют специальной коррекции.
гу ГЛАВА
/ ОТДАЛЕННЫЕ ПООИДСГВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ
Соматические и генетические отдаленные последствия облучения
Стохастические и нестохастические радиационные эффекты
Сокращение продолжительности жизни, развитие склеротических и дегенеративных изменений, возникновение злокачественных новообразований
Механизмы отдаленных последствий облучения
Поражение генома как основа отдаленной лучевой патологии, роль эпигенетических факторов и опосредованных влияний
Наследственные заболевания в потомстве.
В отдаленные сроки (у мышей и крыс через несколько месяцев, у человека — через многие годы и десятки лет) после облучения в «выздоровевшем» и, казалось бы, полностью восстановившемся от лучевого поражения организме возникают различные изменения, которые называют отдаленными последствиями облучения.
Основные категории отдаленных последствий
Принято различать два типа отдаленных последствий — соматические, развивающиеся у самих облученных индивидуумов, и генетические — наследственные заболевания, развивающиеся в потомстве облученных родителей.
Вначале рассмотрим соматические отдаленные последствия. К ним относят прежде всего сокращение продолжительности жизни, злокачественные новообразования и катаракту. Кроме того, отдаленные последствия облучения отмечают в коже, соединительной ткани, кровеносных сосудах почек и легких в виде уплотнений и атрофии облученных участков, потери эластичности и других морфофункциональных нарушениях, приводящих к фиброзам и склерозу, развивающимся вследствие комплекса процессов, включающих уменьшение числа клеток, и дисфункцию фибробластов.
К отдаленным последствиям иногда необоснованно относят снижение плодовитости, стерильность и нарушения эмбрионального раз-
317
вития. Действие радиации на эмбрион и плод — предмет специального изложения в следующей главе. Там будет показано, что изменения, возникающие при облучении плода, в абсолютном большинстве случаев следует относить к непосредственным эффектам облучения, а отдаленные последствия облучения плода, отличаясь лишь некоторой спецификой, принципиально те же, что и при облучении взрослого организма. В равной степени неправомерно относить к отдаленным последствиям снижение плодовитости и стерильность, которые являются типичным примером непосредственных последствий поражения систем клеточного обновления воспроизводительных органов (см. гл. 11).
Следует иметь в виду, что деление на соматические и генетические последствия весьма условно, ибо на самом деле характер повреждения зависит от того, какие клетки подверглись облучению, т. е. в каких клетках это повреждение возникло — в соматических или зародышевых. В обоих случаях повреждается генетический аппарат, а следовательно, и возникающие повреждения могут наследоваться. В первом случае они наследуются в пределах тканей данного организма, объединяясь в понятие соматического мутагенеза, а во втором — также в виде различных мутаций, но в потомстве облученных особей.
Таким образом, решающее значение для облученного индивидуума или его потомков имеет вид мутаций и то, в каких клетках (зародышевых или соматических) они возникают. Например, если доминантные мутации (к числу которых относятся и многие хромосомные аберрации) возникают в зародышевых клетках, то они либо приводят к уменьшению вероятности зачатия или рождаемости, либо проявляются, как правило, в первом поколении, не переходя в последующие. Возникая в соматических, активно пролиферирующих клетках, такие мутации наиболее сильно сказываются при их делении, чаще всего приводя к гибели самих клеток и/или их потомства, что является главной причиной гибели организма при ОЛБ вследствие опустошения критических органов (см. гл. 12,14). В покоящихся клетках те же мутации могут быть причиной утраты генетического контроля за рядом функций, а сохраняясь, могут иметь большое значение в развитии злокачественных опухолей.
Рецессивные мутации вызываются повреждениями отдельных генов, в большинстве случаев в виде точковых мутаций. Если они возникают в половых клетках, то эффект облучения может проявляться в последующих поколениях, подчиняясь общим законам расщепления признаков, вероятность проявления которых растет с численностью облученной популяции.
318
Наиболее важным является разделение всех отдаленных последствий на две другие категории — стохастические и нестохастические эффекты. К стохастическим (вероятностным) относятся два вида отдаленных последствий — злокачественные новообразования и наследственные заболевания, а все остальные — к нестохастическим эффектам.
Не менее существенным является принципиальное различие во взаимоотношениях обоих видов эффектов с дозой излучения.
С ростом дозы увеличивается как вероятность, так и степень проявления любых нестохастических эффектов, тогда как в отношении стохастических эффектов увеличивается лишь вероятность их возникновения.
Иными словами, нестохастические отдаленные последствия, подобно непосредственным детерминированным эффектам (см. гл. 12), возникают при достижении определенного дозового порога и усиливаются с дальнейшим увеличением дозы. В отличие от этого стохастические последствия возникают в полном объеме («половины рака не бывает») теоретически при сколь угодно малой дозе, а с ее увеличением растет лишь вероятность их возникновения.
В соответствии с описанным выше общепринятым делением рассмотрим две основные категории отдаленных последствий — соматические, возникающие у самих облученных объектов, и генетические, — развивающиеся в их потомстве.
Соматические отдаленные последствия облучения
СОКРАЩЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ
Сокращение продолжительности жизни — универсальный эффект облучения, который наиболее подробно изучен на мышах, особенно в экспериментах с однократным облучением.
Существует строгая зависимость сокращения средней продолжительности жизни (СПЖ) от дозы излучения. Согласно Д. Гершу (1957), СПЖ мышей и крыс при однократном облучении в сублетальных дозах сокращается на 2,5—5% на 1 Гр. На рис.17.1 представлены данные соответствующих исследований ряда авторов, причем доза излучения дана не в абсолютных величинах, а в процентах от ЛД^.
Близкие данные получены позднее И. Ротблатом и П. Лицдоп на 80-недельных мышах, сокращение СПЖ которых составило 5,4%,
319
40403030201002010010 20 30 40 50 60 70 8010 20 30 40 50 60 70 80Доза облучения, % от ЛД50/30Доза облучения, % от ЛД50/30Рис. 17.1. Уменьшение продолжи-тельности жизни крыс и мышейпосле однократного общего рентге-новского или у-облучения (объяс-нение в тексте)
40
40
30
30
20
10
0
20
10
0
10 20 30 40 50 60 70 80
10 20 30 40 50 60 70 80
Доза облучения, % от ЛД50/30
Доза облучения, % от ЛД50/30
или5недна1Гр (рис. 17.2). Исходя из того, что кривые на рис. 17.1 и 17.2 проходят через начало координат, можно было бы предположить, что радиационное сокращение СПЖ не имеет порога. Однако для такого заключения нет достаточных оснований, если учесть снижение эффекта при фракционировании дозы, его нивелировку при хроническом облучении и даже увеличение СПЖ при низких уровнях радиационного воздействия. Анализируя данные литературы, М. Тюбиана (1963) пришел к заключению, что сокращение СПЖ при однократном воздействии в дозах 2—5 Гр у различных животных составляет 2—4%, причем практически оно никогда не было отмечено при дозах менее 2 Гр.
Согласно более поздним репрезентативным данным Дж. Когг- ла (19 8 3), результаты изучения сокращения СПЖ у 27 000 мышей (на сегодня это самый крупный эксперимент) после их тотального у-облучения при мощности дозы 0,45 Гр/мин свидетельствуют о том, что в интервале 1—0,5 Гр зависимость носит не линейный, а квадратичный и, кроме того, пороговый характер.
Особенно четко «пороговый» характер радиационного сокращения СПЖ проявляется при пролонгированном воздействии. Как показали фундаментальные исследования Ф. Грана (1970), проведенные на мышах разных линий, морских свинках, собаках и др., отобранных по возрасту, полу и генотипу, хроническое облучение в дозах 0,02—0,15 Гр в неделю не оказывало влияния на про-
Рис. 17.2. Сокращение продолжи-тельности жизни мышей как функ-ция дозы излучения (по И. Ротбла-ту, П. Линдоп, 1961)
Доза у-излучения, Гр/недДоза у-излучения, Гр/недДоза быстрых нейтронов, Гр/недДоза быстрых нейтронов, Гр/нед
Доза у-излучения, Гр/нед
Доза у-излучения, Гр/нед
Доза быстрых нейтронов, Гр/нед
Доза быстрых нейтронов, Гр/нед
Рис. 17.3. Изменение среднейпродолжительности жизни мы-шей в зависимости от дозы у-(верхняя абсцисса Гр/нед) илинейтронного излучения (ниж-няя абсцисса) при непрерыв-ном воздействии на животныхв течение всей жизни (по Р.
Моулу, 1957)
должительность их жизни. По существу, аналогичные данные были ранее обобщены Р.Г. Моулом (1957), который показал, что реальное сокращение СПЖ мышей, подвергавшихся в течение всей жизни непрерывному облучению, начинает проявляться лишь при суммарных недельных дозах 0,1 или 0,01 Гр соответственно у- или нейтронного воздействия (рис. 17.3). При большей мощности дозы сокращение СПЖ изменяется не в прямой (как при однократном облучении), а, по-видимому, в логарифмической зависимости от недельной дозы, причем средняя величина ОБЭ нейтронов равна примерно 10. Это можно связать с восстановлением организма вследствие репарации основных критических систем, которая при нейтронном облучении ослаблена.
Интересны результаты более ранних экспериментов, в которых эффект не только практически отсутствовал (при суточной дозе 0,11 и 0,22 сГр), но, как видно на рис. 17.4, при суточной дозе 0,11 сГр наблюдалось даже увеличение продолжительности жизни мышей по сравнению с контрольными необлученными животными.
Многочисленные данные о так называемых «стимулирующих» эффектах малых доз приведены в трудах А. М. Кузина. По его инициативе облучение в малых дозах было предложено использовать для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, а также для предынкубационной обработки яиц с целью увеличения вылупляемости цыплят и улучшения развития птиц.
Убедительных объяснений этим данным до сих пор нет. Одним из механизмов такого стимулирующего действия малых уровней 321
Рис. 17.4. Кривые выживания мышей линии LAF, подвергнутых ежедневному у-облучению в течение 8 ч в разных дозах (по А. Компфорту, 1967): /-0,0011 Гр; 2-0,011 Гр; 3- 0,022 Гр; 4-0,044 Гр; 5- 0,088 Гр; 6-контроль
облучения называют функционирование легко индуцибельной системы ферментативной репарации. Независимо от справедливости этой точки зрения, весьма уместно напомнить раннее соображение 3. Бака (1962) о том, что «...гипотезы об исключительно вредном эффекте ионизирующего излучения, вероятно, потеряли свое значение и, быть может, оно, подобно световой и тепловой энергии, имеет свой физиологический и патологический уровень».
Сам по себе феномен стимулирующего действия малых доз излучения, получивший в последние десятилетия специальный термин «радиационный гормезис», привлекает внимание многих исследователей, но пока не принимается во внимание при разработке радиационно-гигиенических регламентов (см. гл. 24).
Отчетливое сокращение продолжительности жизни наблюдалось в экспериментах Д. Брауна на ослах и Т. Нунна на коровах, выживших после у-облучения в дозах 2—5 Гр.
При оценке приведенных и других экспериментальных данных Н.Г. Даренская пришла к выводу о том, что сокращение продолжительности жизни — пороговая реакция, и в качестве порога для млекопитающих она называет дозу 0,04 Гр. При этом, экстраполируя на человека результаты, полученные различными авторами на 322
Активность радионуклида, кБк/кг-102
Рис. 17.5. Средняя продолжительность жизни крыс после однократного внутривенного введения нитрата 238Ри (по В.С. Калистратовой и др., 2001):
/ — минимальное, 2—максимальное, 3 — среднее значения
млекопитающих разных видов, она пришла к заключению, что сокращение СПЖ на каждые 0,01 Гр составит при однократном облучении 1—15 сут, а при хроническом воздействии ~ 0,1 сут.
В последнее время, однако, Л.А. Булдаков и В.С. Калистратова (2001) в результате обобщения огромного материала по влиянию на СПЖ как внешнего, так и внутреннего облучения пришли к следующему заключению. При остром внешнем облучении продолжительность жизни начинает снижаться при дозах 1 Гр и выше, а при хроническом — после накопления дозы выше 2 Гр. Ниже этих величин нет ни экспериментальных, ни эпидемиологических достоверных данных о снижении СПЖ. При хроническом как внешнем, так и внутрикорпоральном, в том числе а- и р-облуче- нии мышей, крыс и собак, для наименьших из ряда испытанных доз было показано даже увеличение СПЖ на 5—14%*. На рис. 17.5 приведены в качестве примера данные об изменении СПЖ крыс под влиянием разных количеств однократно введенного нитрата 238Ри.
1 Отсутствие влияния малых доз облучения, в том числе инкорпорированных радионуклидов на СПЖ и даже ее увеличение^не исключает развитие отдаленной патологии, а в ряде случаев способствует ее проявлению, так как увеличивает время, необходимое для реализации той или иной патологии.
Прямые данные о СПЖ человека после острого облучения ограничены наблюдениями за единичными людьми, перенесшими аварии на атомных производствах, которые не имеют статистической значимости. Основной же материал дают наблюдения за лицами, подвергшимися в 1945 г. атомной бомбардировке в Хиросиме и Нагасаки. Наблюдение проводится в рамках нескольких программ, начатых в разные годы в период с 1956 по 1981 г., из которых основной является так называемая программа «Пожизненного наблюдения (исследования)», по англ. LSS — Life Span Study. Когорты облученных и контрольных лиц были сформированы в начале 50-х годов и имели численность соответственно около 120 и 32 тыс. человек. По состоянию на 1990 г. в когорте облученных лиц оставалось 86 572 человека, для которых была установлена доза облучения (для ряда входящих в когорту лиц доза облучения неизвестна), а в контрольной когорте под наблюдением находилось 26 580 человек. Эти цифры наиболее часто фигурируют сейчас в различных публикациях, посвященных изучению отдаленных радиологических последствий атомной бомбардировки, а сами эти когорты будут неоднократно упоминаться в последующих разделах этого руководства.
Проводящиеся эпидемиологические исследования предоставили возможность проверить гипотезу об ускорении естественных инволюционных процессов при воздействии ионизирующей радиации. Так, согласно анализу 30-летнего изучения облученных людей, выполненному в середине 80-х годов, даже использование большого набора клинико-лабораторных, физиологических, функциональных и морфологических тестов у переживших атомную бомбардировку не выявило ускорения процессов старения по большинству индексов возрастной инволюции. Не обнаружено также усугубляющего влияния радиации на течение целого ряда заболеваний — гипертонии, ревматического артрита, коронарной болезни, капиллярных нарушений и сахарного диабета. Наконец, посредством сопоставления продолжительности жизни и причин смерти в когорте облученных лиц не было выявлено увеличения смертности от естественных для человека причин. Не изменились оценки СПЖ в когорте переживших бомбардировку и к 2000 году, более того, их СПЖ оказалась даже больше средних японских показателей, что, вероятно, связано с повышенным вниманием к ним и улучшенным медицинским обслуживанием. Таковы на сегодня результаты анализа влияния острого облучения на продолжительность жизни человека.
К сожалению, сведения о влиянии на СПЖ малых уровней хронического, в том числе и профессионального, воздействия радиации далеко не всегда удовлетворяют требованиям научного анализа.
Согласно ранним данным С. Уоррена (1956), для рентгенологов США по сравнению с врачами других специальностей характерна значительно более высокая частота лейкозов, а смерть от болезней наступает у них в более раннем возрасте. Вследствие этого их СПЖ укорачивается в среднем на 5,2 года, что вдвое превышает расчеты Д. Герша (1957), так как средняя доза, получаемая рентгенологами, не превышала 2 мГр в неделю. В связи с этим анализ С. Уоррена, построенный на обработке распределения смертности по возрастам, подвергся критике. Позднее, однако, выяснилось, что критика С. Уоррена была напрасной, так как с его выводами в дальнейшем согласились. При более детальном изучении продолжительности жизни медицинского персонала США, проведенном в 1965 г., было показано, что СПЖ радиологов на 5 лет меньше, чем врачей, не подвергавшихся профессиональному облучению. Изучение смертности радиологов Великобритании не обнаружило укорочения их жизни. По мнению Дж. Коггла (1983), несоответствие между данными США и Великобритании связано с тем, что тщательно разработанные стандарты радиационной защиты в Англии начали применять еще в 1922 г., т. е. почти на 20 лет раньше, чем в США. Последний анализ СПЖ американских радиологов показал, что в основном ее сокращение связано с индукцией лейкозов и солидных опухолей.
Весьма информативными оказались данные 50-летних наблюдений за жителями, подвергшимися хроническому облучению в результате радиационных инцидентов на Южном Урале, описанных в предыдущей главе. Оказалось, что укорочение продолжительности их жизни также определялось смертью от злокачественных новообразований и не сказалось на СПЖ лиц, погибших от других причин, которая не отличалась от средних показателей населения данного региона [Аклеев А.В., 2003].
Учитывая важность рассматриваемой проблемы и крайнюю опасность преждевременных выводов и экстраполяции экспериментальных данных на человека, следует продолжить накопление экспериментальных данных, получаемых на различных млекопитающих, сбор клинического материала, включая тщательные радиационно-эпидемиологические исследования среди перенесших радиационную аварию на ЧАЭС (см. гл.23).
РАДИАЦИОННАЯ КАТАРАКТА
Возникновение катаракты — типичное отдаленное последствие тотального облучения организма или местного облучения хрусталика. Имеется большой опыт изучения лучевой катаракты у животных разных видов (мышей, крыс, морских свинок, кроликов, собак) и у человека.
Пострадиационное развитие катаракты — явление пороговое, причем величина порога увеличивается при фракционировании дозы, а продолжительность латентного периода увеличивается с возрастом.
На рис. 17.6 представлены результаты экспериментов на крысах 6- и 30-недельного возраста, подвергнутых внешнему облучению (поглощенная доза в хрусталике 4—16 Гр). Видно, что длительность латентного периода у молодых животных резко сокращена, однако частота возникновения катаракты при данной дозе излучения к концу наблюдения в обеих группах становится одинаковой. Такие результаты свидетельствуют о роли процессов физиологической регенерации, более выраженной у молодых животных, что приводит к раннему проявлению дегенеративных изменений в экваториальных клетках, с которыми связывают возникновение катаракты.
Время после облучения, нед
Рис. 17.6. Зависимость частоты катаракт от дозы и времени, прошедшего после облучения крыс разного возраста (по И.А. Миловидовой, 1975): / — недельный контроль; 2 — 30-недельный контроль; 3 — 6-недельные — 4 Гр;
4 — 30-недельные — 4 Гр; 5 — 6-недельные — 8 Гр; 6 — 30-недельные — 8 Гр;
7—6-недельные — 16 Гр; 8 — 30-недельные — 16 Гр
Рис. 17.7. Зависимость катарактогенной дозы для человека от мощности дозы (продолжительности облучения), выраженная как вероятность между нулем и единицей (по Дж. Мерриаму и др., 1972):
в пределах затемненной полосы в диапазоне данных доз катаракта может развиваться во всех случаях или не развиваться вовсе, однако вероятность ее образования растет с увеличением суммарной поглощенной дозы
Согласно наблюдениям Г. Мерриам и др. (1972), пороговая доза для возникновения катаракты после однократного рентгеновского облучения глаза человека — 2 Гр, а при дозе 5 Гр наблюдается прогрессирующее развитие катаракт. Анализируя истории болезни 233 пациентов, подвергшихся облучению головы, авторы обнаружили, что катаракта развилась у 128 человек (у 105 она отсутствовала). Согласно этим данным, при фракционированном облучении в период от 3 нед до 3 мес минимальная катарактогенная доза составляет 4—5 Гр. Вообще же вероятность возникновения катаракты у человека — величина статистическая и ее зависимость от дозы и продолжительности облучения схематически представлена на рис. 17.7.
Ослабление катарактогенного эффекта облучения при фракционировании дозы отчетливо демонстрирует большое значение процессов восстановления в реализации радиогенного помутнения хрусталика. Об этом же свидетельствует и значительно большая катарактогенная эффективность излучения с высокой Л ПЭ, в частности нейтронов, ОБЭ которых по данному показателю в зависимости от их энергии оценивают от 4,5 до 9.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ
Сообщения о возникновении злокачественных опухолей вследствие облучения появились уже через 10 лет после открытия рентгеновских лучей, и первыми жертвами были сами медицинские работники, не подозревавшие о коварных свойствах ионизирующих излучений (см. гл. 2). Вскоре после этого начали накапливаться и экспериментальные данные о лучевом канцерогенезе у животных разных видов. Выяснилось, что как и при действии других канцерогенных агентов, между облучением и возникновением злокачественных новообразований проходит длительный латентный период. При этом ионизирующие излучения сами по себе, независимо от их вида и способа воздействия — внешнего или внутреннего, тотального или локального, однократного, фракционированного или хронического, вызывают самые разнообразные опухоли и лейкозы.
Накопленный к настоящему времени обширный экспериментальный материал и клинические наблюдения показали, что под влиянием облучения могут возникать новообразования практически во всех органах. Однако наиболее частыми следует считать злокачественные опухоли кожи и костей, эндокринно-зависимые опухоли (рак молочной железы и яичников) и лейкозы. При этом кожные и костные опухоли возникают чаще всего при местном облучении, а остальные, как правило, в результате тотального воздействия.
Не следует забывать, что вопрос о дозовой зависимости возникновения злокачественных новообразований и пороговости этого явления чрезвычайно сложен и дискуссионен.
Наиболее полно эта проблема изучена в отношении опухолей костей, в значительной степени благодаря исследованиям с использованием откладывающихся в костной ткани так называемых остеотропных радионуклидов (Pu, Ra, Sr). Экспериментальными исследованиями М. Финкель с сотрудниками обосновывается пороговый характер возникновения остеосарком, причем в качестве минимальной остеосаркомогенной дозы для человека называют 12 Гр. Большинство авторов придерживаются мнения о том, что канцерогенная доза местного облучения больше 10 Гр, т. е. превышает дозу, предварительно вызывающую острое местное поражение. В экспериментах с хроническим поступлением 239Ри получены сведения о возникновении остеосарком у крыс при кумуляции доз > 12—14 Гр [Булдаков Л.А. и др., 1969, 2001].
Рис. 17.8. Частота миелоиднойлейкемии мышей самцов линииRF подвергнутых общему рент-геновскому облучению(по А. Алтону, 1961)
Частота возникновения опухолей при местном облучении возрастает с увеличением поглощенной дозы; кривая, отражающая эту зависимость, например для остеогенных сарком, имеет сигмоидную форму.
Значительно менее изучен вопрос о существовании пороговой дозы для возникновения опухолей и лейкозов при тотальном облучении. Не получила также должного объяснения и форма кривой, характеризующей связь этого явления с поглощенной дозой.
На рис. 17.8 приведены типичные результаты экспериментов, демонстрирующих сложную зависимость возникновения лейкоза мышей с ростом дозы общего облучения. Кривая, характеризующая эту зависимость, имеет максимум в области 3 Гр. Уменьшение частоты лейкозов при более высоких дозах обычно трактуется как следствие радиационной гибели, или стерилизации клеток, подвергающихся малигнизации. Установлено также, что частота отдельных форм лейкозов значительно варьирует у животных разных линий, что свидетельствует о влиянии на этот процесс целого ряда факторов нерадиационной природы.
Существует большое число исследований, содержащих анализ профессиональной заболеваемости лейкозами, а также частоты их возникновения у лиц, подвергавшихся облучению в разные периоды жизни по медицинским показаниям. К сожалению, весьма часто произведенная в них оценка не удовлетворяет статистическим требованиям и поэтому не может служить надежным основанием для количественного заключения. У. Курт-Браун и Р. Долл (1957, 1958) проанализировали заболеваемость лейкозом у 11 287 мужчин, получавших лучевую терапию по поводу анкилозирующего спондилита; частота различных форм лейкоза у них оказалась увеличенной в 5—50 раз, причем в диапазоне доз 3—15 Гр вероятность
Доза излучения, ГрДоза излучения, ГрРис. 17.9. Частота опухолей молочнойжелезы у крыс после однократного об-щего рентгеновского облучения(по К. Шеллабаргеруи др., 1957):результаты двух серий опытов,обозначенных разными символами
Доза излучения, Гр
Доза излучения, Гр
заболевания составляла 1 случай лейкоза на 2 млн чел/год на 0,01 Гр.
Вероятность возникновения радиационно обусловленных солидных опухолей и лейкозов определяется, кроме поглощенной дозы, рядом других факторов, например генетическими, конституционными особенностями, полом и др. Это видно из результатов опытов по индукции опухолей молочной железы у крыс, частота которых росла пропорционально дозе (рис. 17.9), но при этом была значительно меньшей у овариоэктомированных животных, возрастая при успешной пересадке последним яичника здорового донора. Тем не менее радиационное воздействие остается наиболее существенным фактором, ибо при экранировании животных опухоли возникают только в облученных молочных железах, а вероятность возникновения опухолей после облучения половины тела снижается вдвое по сравнению с вероятностью их возникновения после тотального облучения, т. е. снижается пропорционально уменьшению массы облученной ткани.
У мышей легко индуцируются опухоли яичников. Обязательным условием их образования является нарушение функции обеих желез. Если облучен лишь один яичник, то ни в нем, ни в необлу- ченном опухоли не возникают. Экстирпация необлученного яичника способствует появлению опухоли в оставшемся.
На рис. 17.10 приведены данные зависимости частоты некоторых видов злокачественных новообразований мышей и крыс от дозы излучения. Разнообразие форм кривых определяется влиянием множества факторов, действующих между первичным актом трансформации клетки и появлением опухоли. Такие факторы, 330
Рис. 17.10. Зависимость доза—эффект для миелоидного лейкоза (7), лимфомы тимуса (2), ретикулярных опухолей (J), рака яичников (4) и рака легких (5) у мышей (а) и рака молочной железы (7), опухолей почек (2) и опухолей кожи (3) у крыс (б) (по Дж. Когглу, 1986)
как иммунологические, гормональные, сосудистые и связанные с этим трофические и многие другие в сочетании с особенностями клеточно-кинетических параметров могут решающим образом влиять на частоту возникновения опухолей. В качестве примера можно указать на тот факт, что даже небольшие изменения параметров кривой выживания (D^ и Dq) радикально изменяют форму кривой индукции опухолей (рис. 17.11).
Особенностью возникновения опухолей и лейкозов после тотального облучения является то, что для их появления требуются меньшие дозы, чем при местном воздействии, что обычно связывают с увеличением вероятности образования жизнеспособных малигнизированных клеток вследствие увеличения объема облученных тканей. Кроме того, не исключено, что при тотальном облучении становится более выраженной роль опосредованных влияний.
Наконец, на форму кривых и частоту возникновения опухолей влияют ЛПЭ и мощность дозы, увеличение которых усиливает канцерогенный эффект.
Существует два источника информации о вызываемых облучением злокачественных новообразованиях у человека:
— так называемые вторичные раки у пациентов, подвергавшихся облучению в больших дозах в терапевтических целях;
331
Рис. 17.11. Влияние принятых значений параметров кривой инактивации облученных клеток на ожидаемое поведение зависимости «доза — частота новообразований»: а — зависимость «доза — частота преканцерогенных изменений» носит квадратичный характер; б — линейный характер
(по Р. Моулу, 1975):
7 — инактивация отсутствует; 2 — D^ = 27)1|у; 3— D4= D^; 4—^ = 0; D^ равно 2 Гр на всех кривых
— радиогенные раки и лейкозы, возникшие у японцев вследствие атомной бомбардировки и у пострадавших в результате аварий на атомно-ядерных производствах.
Данные о вторичных радиогенных раках в большинстве случаев не могут служить (в статистическом отношении) надежным количественным источником информации, так как они получены разными авторами в разных условиях облучения, у лиц разного возраста и в разные сроки после лучевой терапии. Достоверными являются лишь массовые наблюдения за возникновением рака щитовидной железы у детей, подвергавшихся локальному облучению по поводу гипертрофии тимуса, а также детского рака. Так, по данным М.А. Такера и др. (1991), риск рака щитовидной железы после лучевого лечения рака у детей был увеличен в 53 раза по сравнению с показателем для населения в целом. Повышенная вероятность возникновения радиогенного рака щитовидной железы у детей связана с ее высокими показателями пролиферативной активности. Отмечено также семикратное возрастание риска вторичных злокачественных новообразований после лучевой терапии
острого лимфобластного лейкоза [Неглия Н. и др., 1991]. Большая часть этого риска была обусловлена 22-кратным ростом опухолей головного мозга у пациентов, подвергавшихся облучению черепа в возрасте до пяти лет.
Имеются также данные о возникновении сарком (опухолей из клеток соединительной ткани) в зонах, которые во время лучевой терапии оказались в области высоких доз излучения.
Наиболее полные сведения о лейкозах и опухолях, индуцированных облучением у человека, содержатся в многочисленных сводках и обзорах, посвященных отдаленным последствиям действия излучения у пострадавших при атомной бомбардировке в Японии. В разделе 17.2.2 были описаны когорты облученных и контрольных лиц, сформированные в Японии в 50-годы. Распределение подвергшихся обучению лиц по дозам радиации по состоянию на 1990 г., когда в когорте LLS (Пожизненного наблюдения) находилось 86 572 человека (из которых у 36 459 чел. доза не превышала 5 мЗв, а у остальных 50 113 средняя доза составляла 0,2 мЗв), представлено в табл. 17.1. Напомним, что в это время под наблюдением находилось 26 580 человек контрольной группы, жителей этих мест, но которые во время бомбардировок были за пределами зоны поражения и не подверглись облучению.
Таблица 17.1. Распределение 86 572 лиц, наблюдавшихся в 1990 г. в когорте пострадавших при атомной бомбардировке Хиросимы и Нагасаки, по интервалам полученной дозы
Доза облучения, Зе
> 0,005
0,005-0,02
0,02-0,05
0,05-0,1
0,1-0,2
0,2-0,5
0,5-1,0
< 1,0
Число лиц в данном диапазоне
36 459
16 921
9 390
6 538
5 467
6 308
3 202
2 287
В табл. 17.2 представлены данные о превышении наблюдаемого количества солидных новообразований над ожидаемым. Как видно из таблицы, заболеваемость возрастает с увеличением дозы.
Например, для дозового интервала 0,5—1,0 Зв отношение избыточной заболеваемости над ожидаемым (фоновым) уровнем составляет 44,6%, а при дозах выше 1,5 Зв оно превосходит 100%.
В области доз менее 0,2 Зв значимой связи заболеваемости с дозой не установлено. Это может быть связано либо с недостаточной статистической мощностью когорты LSS, либо с существованием пороговой дозы. Вопрос о действии радиации на человека
333
при дозах менее 0,2 Зв является предметом острой научной дискуссии. По оценкам одних авторов, пороговая доза для когорты LSS составляет 0,05 Зв, другие считают, что доказательства существования пороговой дозы пока отсутствуют.
Таблица 17.2. Частота злокачественных новообразований в когорте LSS в период 1958 — 1988 гг. при разных дозах облучения (по Д. Томпсону и др., 1994)
Доза, Зв
Количество пострадавших
Наблюдаемое число заболеваний
Ожидаемое число заболеваний
Превышение числа заболеваний
.Отношение превышения к ожидаемому, %
<0,01
39 213
4 286
4 269
17
0,4
0,01 - 0,2
Неизвестно
2 822
2 767
55
2
0,2-0,5
37 833
759
623
136
21,8
0,5- 1,0
418
289
129
44,6
1,0- 1,5
195
102
93
91,2
1,5 - 2,0
2 926
78
38
40
105,3
> 2
55
23
32
139
Всего
79 972
8 613
8 111
502
6,2
В табл. 17.3 аналогичная связь с дозой показана для лейкозов в расчете на 1 млн человек.
Таблица 17.3. Частота заболевания лейкозами в зависимости от дозы ионизирующего излучения (из отчета комиссии ООН, 1964)
Расстояние от эпицентра, м
Диапазон поглощенных доз, Гр (оценка)
Число заболевших на 1 млн чел./год
Хиросима
Нагасаки
0-999
14-100
1366
563
1000-1499
2-14
308
530
1500-1999
0,3-2
42
68
2000-9999
0,1-0,3
28
37
Согласно данным последних анализов проблемы, обобщенных в Отчетах НКДАР 1994 и 2000 гг., пожизненный риск смерти от радиационно-индуцированных злокачественных новообразований на 1 Зв острого облучения составляет для солидных опухолей вместе взятых примерно 9% для мужчин, 13% для женщин и 11% в среднем по обоим полам, а для лейкозов для обоих полов — 1%. Принятые величины, как отмечено в «Отчете НКДАР-2000», можно грубо принять равными удвоенному риску смертности при низких дозах. Однако следует иметь в виду, что реально ни по одному 334
Рис. 17.12. Теоретическая кривая доза—эффект для радиационного канцерогенеза:
а —линейная; б— квадратичная; в — линейно-квадратичная; г — линейно-нелинейная зависимость (по Дж. Коттлу, 1986)
виду злокачественных новообразований не найдено достоверного повышения смертности при эквивалентных дозах менее 0,2 Зв.
Установление точной формы зависимости частоты индуцирования новообразований от дозы облучения представляет значительный интерес, так как такого рода данные были бы весьма полезны для предсказания вероятности злокачественной трансформации после облучения в низких, находящихся в области ниже 0,1 Гр, дозах, где прямое измерение этого показателя практически невозможно. Трудность состоит в том, что при столь малых дозах количество индуцированных опухолей очень мало и трудно выявляемо на фоне высокого уровня спонтанного канцерогенеза (напомним, что у человека вероятность заболеть раком в течение жизни превышает 15%).
Можно лишь предположить возможные формы кривых зависимости частоты возникновения опухолей от дозы излучения, используя основные радиобиологические концепции.
На рис. 17.12 представлены четыре формы теоретических кривых.
Наиболее ранняя гипотеза, имеющая много сторонников и по сей день, исходит из линейной зависимости частоты возникно-
вения (/) опухолей от дозы (D), описываемой простейшим уравнением: I = С+ al), где С — частота опухолей в необлученной контрольной популяции, а — коэффициент, определяющий наклон линейной кривой.
Квадратичная форма кривой, исходящая из предположения о том, что для трансформации нормальной клетки в опухолевую требуется два независимых события. Такая зависимость выражается функцией Z = С + pz)2, где частота возникновения опухолей зависит от квадрата дозы (Р — коэффициент, определяющий форму кривой).
Промежуточная зависимость доза — эффект является линейно-квадратичной, описываемой уравнением, объединяющим два первых /= С + aZ) + pZ)2. Эту модель сейчас рассматривают как наиболее привлекательную, поскольку в своей начальной части, т. е. в области малых доз, если исходить из беспороговой концепции, зависимость является линейной.
Линейно-нелинейная зависимость исходит из существования пороговой дозы.
Вариабельность описанных в этом разделе экспериментальных и эпидемиологическихданных не позволяет, однако, безоговорочно признать правоту какой-либо одной из этих концепций по сравнению с другими.
МЕХАНИЗМ СОМАТИЧЕСКИХ ОТДАЛЕННЫХПОСЛЕДСТВИЙ ОБЛУЧЕНИЯ
Соматические отдаленные последствия облучения часто отождествляют с изменениями, происходящими при естественном старении. Этой точке зрения во многом способствует феноменологическое сходство обоих явлений: возникновение злокачественных опухолей, развитие катаракт, склерозирование сосудов, поседение, ослабление эластических свойств кожи и т. д. Так как в результате облучения продолжительность жизни сокращается и указанные изменения наступают в более раннем возрасте, говорят об ускоренном радиационном старении организма.
Однако наряду с внешним сходством этих явлений существуют и различия. Признание точки зрения на отдаленные последствия облучения как на ускоренное старение не обеспечивает прогресса в понимании их механизмов, ибо современная геронтология также не имеет пока надежной теории и еще далека от познания точных причин старения организма. Однако есть основания предположить, что формирование основных отдаленных последствий облу- 336
чения (сокращения продолжительности жизни и развития злокачественных новообразований) имеет если не единый механизм, то во многом является следствием каких-то общих молекулярно-клеточных изменений.
При рассмотрении вопросов пострадиационного восстановления (см. гл. 13) отмечалась неполноценность многих восстановительных процессов, особенно ярко проявляющаяся в тканях с низким уровнем физиологической регенерации. Именно клетки этих тканей вследствие очень слабо протекающих процессов репарации как бы запоминают имевшее место радиационное воздействие, и их функциональная неполноценность легко выявляется в экспериментах, предусматривающих возможность регистрации той или иной функции. Если учесть, что организм млекопитающих состоит преимущественно из стабильных (в цитокинетиче- ском отношении) органов, то можно предположить, что в течение длительного времени после облучения он представляет собой функционально неполноценную систему. Ярким следствием универсального характера функциональной неполноценности организма, на наш взгляд, и является формирование такой интегральной реакции, как сокращение продолжительности жизни, которое можно рассматривать как проявление необратимой компоненты лучевого поражения.
В этом аспекте следует согласиться с неоднократно высказывавшейся С.Н. Александровым (1969—1979) точкой зрения, что начальные изменения, составляющие основу отдаленной лучевой патологии, могут не иметь существенного значения в проявлениях острого лучевого синдрома, причем не столько по характеру клеточных нарушений, сколько по тому, что при остром лучевом поражении они фатальны для активно пролиферирующих систем клеточного обновления, но практически бесследны для стабильных тканей.
Иначе говоря, если для правильной интерпретации механизмов летального действия ионизирующего излучения решающее значение имеет изучение закономерностей гибели облученных клеток, то для понимания отдаленных последствий облучения и, в частности, его влияния на продолжительность жизни — изучение тех клеток, которые выживают после облучения.
Исследования отдаленных последствий облучения, проявляющихся у потомков выживающих облученных дрожжевых клеток, впервые были описаны Г.А. Надсоном (1920). Лишь в 1979 г. эти исследования были продолжены В.И. Корогодиным и М.Н. Мясником в опытах на диплоидных дрожжевых организмах, по радио-
337
биологическим реакциям сходных с клетками млекопитающих в культуре. В этих работах установлено, что при дозах, вызывающих гибель 50% клеток и более, потомки большинства выживших клеток оказываются измененными в наследственном отношении (аналогия с соматическим мутагенезом.— Примеч. авт.). Тщательный анализ нескольких десятков семейств таких клеток показал, что облучение вызывает у них неустойчивое состояние ядерного аппарата на протяжении сотен клеточных генераций, вследствие чего в клонах этих клеток при размножении все время происходит выщепление как нежизнеспособных, отмирающих, элементов, так и клеток с различными наследуемыми нарушениями морфологических и физиологических функций. Некоторые из таких «радиорас» отличаются пониженной скоростью размножения и высокой чувствительностью к различным воздействиям (например, температурным), нелетальным для контрольных клеток. Другие «радиорасы» характеризуются безудержным, неупорядоченным ростом, сопровождающимся появлением новых морфологических вариантов, напоминая в этом отношении злокачественный рост.
Не исключено, что аналогия между опухолевыми клетками и расами дрожжей, полученными после облучения, представляет собой больше, чем внешнее сходство, и основана на подобных изменениях их ядерного аппарата, т. е. изменениях, вызываемых облучением на молекулярном уровне. Ранее эти вопросы были рассмотрены в гл. 7 на примере животных клеток, у которых после облучения также выявлялась и повышенная в ряду поколений гибель потомков облученной клетки, и их генетическая нестабильность. Это проявляется, в частности, в снижении функциональной активности клеток, что влияет и на жизнеспособность целостного организма.
Примером изменений, происходящих в клетках «стабильных» органов и не выявляемых в обычных условиях, могут служить результаты опытов, в которых проводили локальное облучение печени крыс с последующей интегральной оценкой функционального состояния ткани печени по динамике массы ее регенерата после частичной гепатэктомии (см. гл. 13). К моменту, когда в контроле восстановление массы заканчивалось, регенерация облученной печени была сильно подавлена и даже восстановление, происходящее значительно позднее, составляло ~ 50% (см. рис. 13.13).
Подобные опыты демонстрируют роль нарушения функции мутировавших генов, контролирующих процессы синтеза в неде- лящихся тканях взрослого организма на протяжении всей жизни. Можно представить существование определенного типа наруше- 338
ний ядерного аппарата, имеющих значение для тканей с низким темпом физиологической регенерации, где клетки не погибают вскоре после облучения, а сохраняются в организме. Неполноценность пострадиационного восстановления организма облученных животных приводит их к большей подверженности различным заболеваниям, неблагоприятному влиянию физиологических перегрузок и различных внешних агентов, а в итоге к более быстрому изнашиванию организма и сокращению продолжительности жизни. Это, возможно, является следствием увеличения выхода таких нелетальных мутаций в результате облучения.
Интересны модельные опыты, проведенные М.Н. Мясником и В.И. Корогодиным на бактериях Е. coli. Выращивание облученных бактерий при различных условиях показало, что выживаемость их тем ниже, чем пагубнее соответствующие условия действуют на жизнеспособность необлученных клеток. Облучение резко усиливает неблагоприятное влияние внешней среды: так, если определенные колебания температуры или солевого состава среды при культивировании изменяют жизнеспособность необлученных клеток на 10—15%, то у облученных клеток она может изменяться в этих условиях в 100 раз и более. Исследования, проведенные на различных генетических группах бактерий, выявили, что облучение усиливает проявление тех генетически обусловленных признаков и свойств клеток, которые и без облучения приводят клетки к гибели с некоторой вероятностью. Существует множество мутаций, незначительно нарушающих различные стороны обмена. Такие мутации могут происходить во многих клетках, но их действие в необлученных клетках проявляется слабо и лишь в определенных «провокационных формах», т. е. при определенных изменениях внешних условий. После облучения летальный эффект таких генов во много раз увеличивается, особенно при отклонениях условий культивирования от оптимальных для данных организмов, что и приводит к повышению чувствительности облученных клеток к колебаниям внешних условий. В результате даже незначительные изменения, мало влияющие на жизнедеятельность контрольных клеток, у облученных могут вызвать различные нарушения обменных процессов и даже гибель. Не исключено, что эта закономерность имеет общебиологический характер.
Все сказанное о возможной роли мутационных событий в отдаленной лучевой патологии в равной степени относится и к активно пролиферирующим тканям. Дело в том, что практически все вновь возникающие мутации затрагивают лишь один из гомологичных участков парных хромосом, составляющих геном соматических
339
клеток, т. е. эти мутации находятся в гетерозиготном состоянии. Как справедливо замечал С.Н. Александров (1980), раньше считали, что существующие в этих условиях мутации либо вызывают гибель клеток (доминантные летали, аберрации), либо не проявляются вообще (рецессивные, генные мутации). Однако в настоящее время убедительно показано, что гетерозиготные мутации способны существенно изменять клеточный метаболизм. Встречаются специфические отклонения и у людей, практически всегда гетерозиготных по генам; такие заболевания, как фенилкетонурия, акаталазия и серповидная анемия имеют в своей основе рецессивную наследственную недостаточность.
Итак, основу отдаленной лучевой патологии на клеточном уровне составляют три типа нарушений, возникающих в результате непосредственного воздействия радиации:
— эффекты, вызывающие клеточную гибель, — имеют значение для патогенеза последствий, заключающих в себе невосполнимую утрату камбиального резерва (стволовых клеток), например, изменения в гонадах при лучевой кастрации;
— стойкие нарушения (консервирующиеся наследственные нарушения) — наибольшее значение имеют для тканей с низким уровнем физиологической регенерации, проявляясь в отдаленные сроки;
— нелегальные наследственные изменения — нарушения, стойко репродуцирующиеся при размножении соматических клеток. Решающее значение они имеют в тканях с быстро обновляющимся клеточным составом, ибо, возникнув в камбиальных элементах, они могут неопределенно долго воспроизводиться.
Все это дает основание для заключения о том, что один из механизмов формирования отдаленных последствий облучения состоит в накоплении повреждений в генетическом аппарате соматических клеток. Весьма вероятно, что такие нарушения участвуют в развитии нефросклероза, катаракты, ослабления эластичности кожных покровов и различных нейродистрофических расстройств.
В развитии отдаленной лучевой патологии нельзя не учитывать и возможную роль различных эпигеномных нарушений, тем более что попытка ее объяснения только с позиций мутационной гипотезы встречает ряд трудностей. По данным литературы, во-первых, не совпадают мощности доз, «удваивающих» скорость старения (12,8 сГр/сут) и частоту мутаций в половых клетках (0,5 сГр/сут). Во-вторых, установлены факты увеличения продолжительности жизни различных объектов при определенных режимах и дозах излучения. В-третьих, практически у всех изученных видов животных жизнеспособность самок всегда выше, чем у самцов, тогда как сокращение продолжительности жизни, если оно 340
вызывается соматическими мутациями, должно быть более выраженным у гетерогаметного пола, т. е. у самцов, вследствие возможных мутаций половой хромосомы.
Кроме ядерных и эпигеномных нарушений в облученных клетках, на развитие отдаленных последствий опосредованное влияние могут оказывать нарушения нейроэндокринной регуляции, определяющие снижение ряда адаптивных возможностей организма. Примеры подобных дистанционных или опосредованных влияний рассматривались в предыдущих главах. Опосредованный компонент четко выражен также и в механизме возникновения злокачественных опухолей, как это показано ранее, особенно при тотальном облучении, где он может иметь определенное значение.
Данные о специфических механизмах радиационного сокращения продолжительности жизни получены при анализе кривых гибели животных. Исследования показали, что уменьшение продолжительности жизни, вызываемое облучением, обусловлено не каким-либо одним заболеванием, а ускорением наступления смерти от всех причин вообще. И хотя отдаленные гистологические изменения, вызываемые облучением, в целом не отличаются от наблюдаемых при естественном старении, они могут иметь локальный характер. В связи с последним обстоятельством находится, по-видимому, и тот факт, что последовательность и частота проявления причин, вызывающих смерть при старении животных в облученных и необлученных группах, не совпадают. Это указывает на различие в механизмах, обусловливающих смертность облученных и старых животных.
Наиболее интересные и убедительные доказательства этому получены в экспериментах Д. Сторера и Дж. Юхаса при оценке радиочувствительности животных разного возраста как показателя старения. В одном из них показано [Сторер Д., 1962], что ЛД50/30 у мышей с возрастом (после определенного) линейно снижается до 60—70% от исходного уровня, причем на динамику этого показателя г^едварительное облучение не влияет. Иначе изменяется средняя продолжительность жизни животных при ежедневном облучении в дозе 1 Гр. Наиболее резистентны по этому показателю животные в возрасте 170 дней, а затем наблюдается почти линейное снижение устойчивости, причем животные, подвергнутые предварительному облучению, более чувствительны, чем контрольные. И наконец, интенсивность репарации, определяемая методом повторного облучения, резко снижается с возрастом, причем в большей степени у предварительно облученных животных.
Рис 17.13. Изменение продолжительности жизни самок мышей линии С57 BI/6J при облучении (по Дж. Юхасу и др., 1969):
— фракционированное облучение в разном возрасте по 1 Гр/сут 5 раз в неделю;2 —животные тех же возрастов, облученные в том же режиме, но через 30 сут послепредварительного облучения в дозе 5 Гр; различными символами помечены результатыразных экспериментов
Разная форма и степень изменения использованных показателей с возрастом дают основание предполагать, что каждый из них отражает степень нарушений отдельных систем. Следовательно, облучение, по-видимому, не вызывает истинного неспецифического преждевременного старения, а избирательно повреждает определенные системы органов, различно функционирующие в зависимости от возраста. В последующих исследованиях [Юхас Дж. и др., 1969] еще более четко продемонстрировано различие в проявлении отдаленных последствий при изучении кинетики остаточного поражения в зависимости от возраста. На рис. 17.13 показано, что средняя продолжительность жизни мышей, подвергнутых фракционированному облучению (1,4 Гр/сут, по 5 сут в неделю до гибели), имеет параболическую зависимость от возраста (от 342
3 до 23 мес), в то время как при таком же режиме облучения, но произведенном через 30 сут после предварительного однократного облучения в дозе 5 Гр, средняя продолжительность жизни с возрастом снижается. На основании экспериментов с трансплантацией костного мозга животным разного возраста после летального облучения и последующего контроля за выживаемостью и средней продолжительностью жизни авторы пришли к заключению, что обнаруженные возрастные различия в динамике остаточного поражения связаны не с кроветворной системой, а с особенностями лучевых реакций кишечника, который с возрастом повреждается сильнее.
Дж. Юхас (1971) провел экспериментальную проверку справедливости пяти гипотез, которыми пытались объяснить ослабление чувствительности животных с возрастом к укорачивающему продолжительность жизни действию облучения. Установлено, что сокращение продолжительности жизни после 10-кратного ежесуточного фракционированного облучения в суммарной дозе 14 Гр составило у 4- и 9-месячных мышей соответственно 120 и 30 сут по сравнению с соответствующим возрастным контролем. Продолжительность жизни мышей трех групп, подвергнутых облучению в более позднем возрасте (450-, 540- и 730-суточных), не только не сократилась, а даже увеличилась на 53—65 сут. Полученные результаты нельзя объяснить недостаточностью времени для выявления повреждения; они противоречат тождеству старения и лучевого поражения и не могут быть объяснены селективной выборкой в популяции, обусловленной сильным летальным эффектом или «нормальным износом». Как предполагает автор, с возрастом снижается чувствительность к некоторым заболеваниям, а ионизирующее излучение оказывает на старых заболевших животных терапевтическое действие.
Совокупность изложенных данных, а также результаты эпидемиологических исследований в Хиросиме и Нагасаки также противоречат представлениям об идентичности радиогенного сокращения продолжительности жизни и процессов старения.
17.2.4.1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РАДИАЦИОННОГОКАНЦЕРОГЕНЕЗА
Радиационный канцерогенез напрямую связывают с неотрепа- рированными или неверно репарированными поражениями молекул ДНК, в первую очередь, двойных разрывов. Поражения отдельных оснований в канцерогенном эффекте радиации в отли-
343
чие от случая спонтанных мутаций, по-видимому, имеют меньшее значение. Наиболее частым следствием ошибочной репарации является утеря гетерозиготности, причем помимо гена, на участке которого произошел разрыв ДНК, гетерозиготность распространяется на проксимально и дистально лежащие гены. Ошибочная репарация приводит к делециям и реципрокным транслокациям. Их следствием является инактивация генов-супрессоров, хотя в литературе имеются указания и на роль активации протоонкогенов в индукции лейкозов и лимфом.
Важную роль в онкогенезе играют хромосомные перестройки. В качестве примера приведем повышенное образование хромосомных повреждений в лимфоцитах, облученных на стадии G2, обнаруженное у больных опухолями толстого кишечника и молочной железы — новообразованиями, характеризующимися высокой частотой наследственного риска. Повышенная радиочувствительность хромосом, указывающая на дефект системы репарации, обнаружена у 40% больных раком молочной железы и у 30% больных опухолями толстой и прямой кишок. У взятых в исследование здоровых лиц повышенная радиочувствительность отмечена в 9% случаев, а у больных раком шейки матки (опухоли, не связанной с наследственной предрасположенностью) — в 11%.
Хромосомные перестройки в основном связаны с инактивацией генов — опухолевых супрессоров. В опухолях, происхождение которых определенно связано с облучением, выявлены транслокации и делеции, которые можно ассоциировать с этим процессом. Примером служит высокая индукция остеосарком при лучевом лечении ретинобластом, которая ассоциирована с потерей гена-супрессора RB, локализованного на участке 13ql4. В менингиомах и опухолях прямой кишки, возникших у больных после лучевой терапии первичной опухоли, обнаружены гиподиплоидия (уменьшение числа хромосом относительно нормы) с многочисленными делециями. У некоторых линий мышей облучение приводит к развитию острого миелоидного лейкоза, ассоциируемого с рано возникающей делецией пока не установленного гена-супрессора в хромосоме 2. Сама по себе такая делеция (делеции) недостаточна для опухолевой трансформации, так как несущие их клетки могут в течение длительного времени находиться в малоактивном состоянии, и для перехода к активной клональной экспансии этих клеток требуются некие, пока неидентифицированные вторичные события. Одно время широко обсуждалась возможная роль инактивации гена-супрессора р53 как причины радиационной трансформации, так как продукты этого гена выполняют многочислен- 344
ные надзорные функции за состоянием генома, в частности способствуют запуску апоптотического механизма гибели клетки при обнаружении повреждений ДНК в момент прохождения клеткой «сверочных точек» генерационного цикла. Детальное изучение этого вопроса не дало данных о прямой связи радиационного поражения этого гена с злокачественным перерождением клетки, хотя у гетерозиготных по р53 нокаутных мышей значительно повышена частота радиационно-индуцированных опухолей и сокращен латентный период их формирования по сравнению с наблюдаемыми у животных дикого (не нокаутных) типа.
В литературе пока нет данных о частоте радиационно-индуцированных опухолей у животных, дефицитных по другим контролирующим генам, например, BRCA1, ВРСА2и Rad51, хотя желательность таких экспериментов для изучения роли их продуктов, в том числе белков репарации ДНК, в радиационном канцерогенезе не вызывает сомнения.
Относительно активации излучением онкогенов можно лишь отметить, что в некоторых радиационно-индуцированных лимфомах мышей наблюдали мутации в генах семейства RAS, а среди ин- дуцированых излучением остеосарком — хромосомные транслокации и амплификацию гена C-MYC. Амплификация этого онкогена выявлена в радиационно-индуцированных раках кожи у крыс, причем в нормальных эпидермальных клетках, также вступивших в деление для возмещения радиационной утери клеток, C-MYC не амплифицировался. Интенсивное изучение возможности злокачественной трансформиции через активацию онкогенов проводится на папиллярных раках щитовидной железы у детей, подвергшихся облучению в результате Чернобыльской аварии. У них гораздо чаще, чем в случае спорадических опухолей, выявляются перестройки онкогена RET, характеризующиеся утерей трансмембранного и экстрацеллюлярного доменов с их заменой частями других генов. В результате рекомбинации образуется химерный RET/РТС, кодирующий постоянно активный рецептор тирозинкиназы. Среди транслоцировавшихся генов чаще всего обнаруживаются ELE1 — транскрипционный коактиватор рецептора андрогенов (перестройка РТСЗ) и ген Н4 (перестройка РТС1/ С меньшей частотой встречаются транслокации других генов, однако во всех случаях результатом является выход гена RET
из-под физиологического контроля и повышенная экспрессия RET тирозинкиназы. Указанные перестройки встречаются и в опухолях, не ассоциированных с облучением, но в ряде работ говорится о более высокой частоте перестроек RET/PTC3 в Чернобыльской зоне. Перестройки гена RET выявлены и при экспериментальном облучении клеток щитовидной железы человека в высоких дозах.
Генетические отдаленные последствияоблучения
Генетические отдаленные последствия или наследственные заболевания (или нарушения) относятся ко второй группе стохастических эффектов облучения, которые проявляются не у самих облученных людей, а в их потомстве. Они являются следствием радиационных мутаций в зародышевых клетках облученных родителей, в отличие от злокачественных новообразований, возникающих в результате мутаций в соматических клетках самих облученных объектов.
Геном человека содержит от 50 000 до 100 000 генов. Поэтому потенциальное число возможных мутаций и, следовательно, вероятность возникновения различных генетических нарушений в принципе огромно. Распространенная точка зрения о том, что ионизирующие излучения способны индуцировать особенных, фантастических мутантов и монстров абсолютно не верна. На самом деле не существует каких-либо специфических радиационных мутаций, облучение лишь увеличивает вероятность проявления спонтанных мутаций, т.е. тех самых, которые обычно регистрируются в естественных природных условиях.
Различаюттри категории наследственных заболеваний — мен- делианские, хромосомные и мультифакториал ьные.
Менделианские (генные) нарушения являются следствием мутаций в единичных генах одной или двух аутосом или половых хромосом. Они могут быть доминантными, рецессивными и связанными с полом.
Хромосомные нарушения проявляются в виде изменения (увеличения или уменьшения) числа хромосом, а также изменения их структуры (хромосомные аберрации).
Мультифакториальные нарушения обязательно имеют генетический компонент, но не могут быть описаны как просто мендели- 346
анские. В табл. 17.4 приведены примеры всех трех видов наследственных нарушений.
Таблица 17.4. Наследственные радиационные эффекты (по Э. Холлу, 2000)
Тип генетического эффекта
Примеры
Генные мутации*
Одиночные доминантные 736 (753)
Рецессивные 521 (596)
Сцепленные с полом 80 (60)
Полидактилия, хорея Гентигтона
Серповидная анемия, ретинобластома
Цветовая слепота, гемофилия
Хромосомные изменения Изменение числа хромосом
Хромосомные аберрации
Синдром Дауна (трисомия, дополнительная 21-я хромосома), гибель эмбриона
Гибель эмбриона, умственная отсталость, физические дефекты
Мультифакториальныерасстройства
Врожденные ненормальности и уродства
Хронические болезни
Неврологические дефекты (spina bifida), врожденное расщепление губы, расщепление мягкого неба
Диабет, эссенциальная гипертония, коронарная болезнь сердца
*Количество типов генных мутаций, относящихся к числу болезней человека, известных как связанные с мутациями. Для сравнения в скобках указано общее число известных и вероятных болезней.
17.3.1. ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННЫХ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РИСКОВ
Существует два пути оценки рисков радиационных наследственных нарушений в потомстве. Первый — сравнение числа радиационно-индуцированных мутаций с наблюдающимся спонтанным фоном и выражением результатов в виде так называемой удваивающей дозы, т. е. уровня излучения, при котором в данной генерации (поколении) возникает число радиационных мутаций, равное числу спонтанных мутаций. Удваивающая доза определяется отношением средней частоты спонтанных и радиационно-индуцированных мутаций в одних и тех же генах.
Концепцию удваивающей дозы применяют в экспериментах на животных для оценки риска возможных наследственных эффектов, исходя из предположения: «если в природе происходят эти эффекты, то радиация индуцирует их же». Это и составляет понятие относительного мутационного риска.
При втором, альтернативном подходе частота спонтанных (естественных) мутаций игнорируется и просто оценивается число
нарушений, вызываемых мутациями в первом поколении. Это дает оценку прямого, или абсолютного мутационного риска.
История оценок радиационного генетического риска насчитывает значительно большее число лет, чем канцерогенного, и содержит как драматические эпизоды, так и удивительные, по сей день мало понятные факты.
Как отмечалось в гл. 2, первые наблюдения о вызываемых радиацией изменениях генетического аппарата и их наследовании в ряду клеточных генераций были получены замечательными русскими исследователями Г.А. Надсоном и его учеником Г.Ф. Филипповым в 1925 г. в экспериментах на дрожжевых клетках. К сожалению, это крупнейшее открытие не получило тогда должной оценки.
Лишь в 50-х годах, после ставших классическими и удостоенных Нобелевской премии работ Г.Й. Мёллера, установившего мутагенный эффект ионизирующих излучений в экспериментах на дрозофиле, радиационно-генетические исследования стали широко проводиться во всем мире. Со времени получения первых данных, полученных на дрозофилах, оценки риска из года в год неуклонно снижались.
Как видно из табл. 17.5, все показатели возможного генетического риска за 30 лет исследований, проводившихся с середины 50-х по середину 80-х годов, уменьшились существенным образом.
Таблица 17.5. История оценок коэффициентов генетического риска
Организация,* год
Удваивающая доза, Зв
Мутационная фракция, %
Коэффициент риска, %
BEIR, 1956
НКДАР, 1988
0,4
1,0
100
14
0,5
0,3
*Полное название организаций и описание их деятельности приведены в гл. 24.
Оценка удваивающей дозы возросла в два раза, даже если не принимать в расчет полученное поначалу (и потом оказавшееся ошибочным) значение удваивающей дозы 0,05 Зв. Однако именно первоначальное значение удваивающей дозы в свое время «напугало» специалистов, причастных к противорадиационной защите.
Решающее влияние на оценку радиационно-генетического риска оказали результаты исследования, осуществленного Л.Б. и У .Л. Расселами в Окриджской национальной лаборатории США на 7 млн инбредных мышей обоего пола.
348
24-,
Рис. 17.14. Возникновение мутаций на локус (и) у мышей как функция дозы излучения при высокой и низкой мощности дозы (по У. Расселу, цит. по Э. Холлу, 2000):
/ — острое облучение с высокой мощностью дозы; 2 — хроническое облучение с мощностью дозы 0,8 Р/мин
В этом исследовании, известном как проект «Мега-мышь», было изучено 7 специфических мутаций в отдельных локусах, 6 из которых были связаны с изменением окраски шерсти, а одна приводила к задержке роста ушей. Эти мутации встречаются и спонтанно, но их частота возрастает в результате облучения. Облучение проводят в широком диапазоне доз, при различных мощностях дозы и ее фракционировании.
В результате проведенного уникального по объему и значимости исследования было сделано пять чрезвычайно важных выводов.
Радиочувствительность в отношении индукции различных мутаций у мышей сильно варьирует с коэффициентом ~ 35,что позволяет оценивать результаты лишь в терминах средней частоты мутаций.
В отличие от дрозофил в опытах на мышах сильно выражен ослабляющий эффект уменьшения мощности дозы (рис. 17.14.),
349
что свидетельствует о функционировании у этих животных мощных систем пострадиационной репарации.
Самцы мышей отличаются значительно большей радиочувствительностью, чем самки. Это особенно проявляется при низкой мощности дозы, когда учащение мутаций у самок вообще мало вероятно даже при дозах в несколько грей (нескольких сотен рад). Эти половые различия важно учитывать в практическом плане, имея в виду, что носителями генетического груза в популяции, подвергшейся облучению при низкой мощности дозы, являются самцы.
Частота генетических последствий у мышей сильно снижается с удлинением интервала времени между облучением и оплодотворением. Это прежде всего связано со стадией сперматогенеза, на которой произошло облучение. При спаривании непосредственно после облучения в оплодотворении участвует сперма, подвергшаяся облучению на стадии зрелых сперматозоидов, в связи с чем возникает относительно наибольшее число мутаций. В противоположность этому при спаривании через несколько недель после облучения сперма, используемая для оплодотворения, подвергалась облучению на ранних стадиях, что вызвало меньшее число индуцируемых мутаций. Отсюда следует вывод, что снижение частоты мутаций со временем после облучения является следствием процессов репарации.
Полученная в эмпирических наблюдениях информация об ослаблении радиационных генетических последствий с удлинением интервала времени между облучением и оплодотворением чрезвычайно важна в практическом отношении и постоянно учитывается в генетических исследованиях. У мышей интервал в 2 мес достаточен для максимального снижения эффекта облучения. Аналогичным периодом у человека считают 6 мес. Это всегда принимается во внимание при диагностическом и лечебном облучении человека, когда в поле воздействия вовлекаются гонады.
Оценки удваивающей дозы, принятые BEIR V и НКДАР-88, составили 1 Гр при малой мощности дозы. Эти оценки получены расчетным путем на основании сопоставления экспериментальных данных о числе мутаций в определенном локусе мышей с воз-
можным их числом в локусах человека. При этом учитывалось, что облучение человека обычно происходит при низкой мощности дозы, а эксперименты на мышах были проведены при остром облучении.
С учетом прежних оценок удваивающей дозы, которая при разных условиях облучения составляла от 0,2 до 2 Гр и от 0,5 до 2,5 Гр, а также при крайне малых реальных наследственных радиационных эффектах у человека BEIR и НКДАР, полагают, что в последующем соответствующие оценки будут снижаться.
Следует признать, что до настоящего времени радиационно-генетические последствия вообще не найдены в потомстве облученных людей, включая японские когорты, население, пострадавшее в результате инцидентов на Южном Урале и вследствие Чернобыльской аварии, и весь прогноз генетического риска пока целиком основан на экстраполяции данных опытов на животных.
Между тем, анализ рассмотренных материалов свидетельствует о чрезвычайно важном факте — существовании больших количественных межвидовых различий в проявлении радиационно-генетических эффектов. В ряду дрозофила — мышь — человек выход мутаций на единицу дозы, максимально выраженный у дрозофилы, резко снижается у мыши (особенно при пролонгированном облучении) и практически нивелируется у человека.
Наиболее вероятным объяснением этого феномена представляется разная степень эффективности механизма пострадиационной репарации, который совершенствовался по мере эволюции и достиг максимума у человека. Важнейшим фактором, определяющим эффективность репарации, по-видимому, является фактор времени, о чем свидетельствует как ослабление эффекта при пролонгировании радиационного воздействия, так и при удлинение интервала между облучением и оплодотворением. Поэтому удлинении всех жизненных циклов (отдельных стадий сперматогенеза, его общей длительности и продолжительности жизни эмбриона), что и имеет место в ряду дрозофила — мышь — человек, должно облегчать репарационные процессы.
Справедливость постулируемого механизма нуждается в экспериментальной проверке. Независимо от этого, сами по себе изложенные факты позволяют прийти к заключению, что радиаци-
онный генетический риск как фактор, учитываемый при регламентации уровней облучения, прочно переместился на место, гораздо менее значимое, чем радиационно-канцерогенный риск.
РЕЗЮМЕ
Терминологически следует различать две группы отдаленных эффектов облучения: с одной стороны — соматические и генетические (наследственные) последствия, а с другой — стохастические и нестохастические.
Соматические являются следствием радиационных мутаций в соматических клетках непосредственно подвергшегося облучению индивидуума. К ним относятся: сокращение продолжительности жизни, катаракта, фиброз и склероз различных органов, злокачественные новообразования.
К генетическим эффектам относятся наследственные заболевания, уродства и другие пороки развития, возникающие в потомстве облученных родителей, как следствие радиационных мутаций в их зародышевых клетках.
Злокачественные новообразования и наследственные эффекты являются стохастическими (вероятностными) последствиями, теоретически они не имеют порога, и с возрастанием дозы увеличивается вероятность их возникновения, но не тяжесть поражения. Все остальные отдаленные последствия имеют нестохастический, детерминированный характер. Они возникают при определенной дозе, причем с ее увеличением растут и частота и тяжесть их проявления.
Данные о соматических эффектах, в том числе и о радиационном канцерогенезе, получены как в экспериментальных исследованиях, так и непосредственно у человека — в результате анализа различных радиационных аварий, контакта с излучением в производственных условиях, а также изучения осложнений лечебного применения ионизирующих излучений.
Сокращение продолжительности жизни четко зарегистрировано у мелких лабораторных животных, в первую очередь у мышей. Согласно расчетам МКРЗ, в среднем на каждый случай радиогенного рака человека утрачивается 13—15 лет жизни, однако строгих эпидемиологических данных на этот счет пока не зарегистрировано.
352
Генетические эффекты оценивают величиной удваивающей дозы — уровня излучения, при котором в данной генерации (поколении) возникает число радиационных мутаций, равное их спонтанному уровню.
Удваивающая доза для человека, согласно BEIR V и НКДАР-88, составляет 1 Гр при малой мощности дозы. Эти оценки получены расчетным путем на основании сопоставления экспериментальных данных о числе мутаций в определенном локусе мышей с возможным их числом в локусах человека. При этом учитывалось, что облучение человека обычно происходит при низкой мощности дозы, а эксперименты на мышах были проведены при остром облучении.
В проявлении радиационно-генетических эффектов существуют большие количественные межвидовые различия. В ряду дрозофила — мышь — человек выход мутаций на единицу дозы, максимально выраженный у дрозофилы, резко снижается у мыши (особенно при пролонгированном облучении) и пока не зарегистрирован у человека.
Наиболее вероятным объяснением межвидовых различий в проявлении генетических эффектов облучения представляется разная степень эффективности механизма пострадиационной репарации на разных ступенях биологической организации; соответствующий репарационный механизм, по-види- мому, совершенствуясь по мере эволюции, достиг максимума у человека.
До настоящего времени не найдены радиационно-индуцированные наследственные эффекты в потомстве облученных людей, включая японские когорты, а также пострадавших вследствие ядерных инцидентов на Южном Урале и в результате Чернобыльской аварии.
ч 0 ГЛАВА
1 О ПОСЛЕДСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ЭМБРИОНА И ПЛОДА
Эмбрион — конгломерат делящихся и дифференцирующихся клеток
Внутриутробная смертность и аномалии развития при облучении эмбриона и плода — результат высокой радиочувствительности зачатков органов и их жизненного значения Тератогенные эффекты
Непосредственные и отдаленные последствия облучения организма в период эмбрионального развития
Данные о действии ионизирующих излучений на эмбрион и плод человека получены в результате изучения последствий лучевой терапии (при облучении области живота беременных женщин) и исследований детей, подвергшихся внутриутробному облучению в Хиросиме и Нагасаки. Общий вывод из этих наблюдений однозначен — радиочувствительность плода высокая и она тем больше, чем он моложе.
У выживших детей повреждающее действие радиации проявляется в виде различных уродств, задержки физического и умственного развития или их сочетаний. Наиболее частые уродства — микроцефалия, гидроцефалия и аномалии развития сердца.
Пороки развития и уродства, возникающие вследствие облучения in utero, объединяются термином тератогенные эффекты. С одной стороны, их можно рассматривать как стохастические эффекты, имея в виду вероятностный характер их проявления в зависимости от стадии эмбриогенеза, на которой произошло облучение. Однако правильнее их отнести к разновидности соматических эффектов, так как они возникают у ребенка в результате его непосредственного облучения в состоянии эмбриона или плода. Во всяком случае тератогенные эффекты не следует смешивать с наследственными эффектами, возникающими в не подвергавшемуся непосредственному радиационному воздействию потомстве облученных родителей (см. гл. 17).
Имеющихся прямых данных у человека явно недостаточно для установления предельно допустимой дозы облучения плода, поэтому в действительности приходится прибегать к экстраполяции 354
на человека результатов, полученных в экспериментах на животных. Радиоэмбриологические исследования на разных видах животных проводились очень широко и тщательно. Особенно известны в этом отношении классические работы У. Рассела, Р. Рафа и И.А. Пионтковского.
Возрастно-специфические реакциина облучение в эмбриогенезе
Крайне высокая радиочувствительность организма в антенатальном, внутриутробном периоде развития легко объяснима, так как в это время он представляет собой конгломерат из делящихся и дифференцирующихся клеток, обладающих наибольшей радиочувствительностью.
Кроме того, при оценке биологического действия ионизирующего излучения на эмбрион возникают совершенно новые проблемы, так как он крайне мозаичен и находится в постоянном развитии. Поэтому в зависимости от времени закладки, формирования и дифференцировки тех или иных тканей, органов или систем любая из них может оказаться крайне радиочувствительной, независимо от ее радиочувствительности во взрослом состоянии.
Например, весьма частым последствием облучения эмбриона является микроцефалия или вообще отсутствие ЦНС, возникающие при облучении уже в дозах 0,5—2 Гр, хотя во взрослом организме подобное не наблюдается и при самых высоких дозах. Поэтому вполне справедливо считать эмбрион и плод самыми радиочувствительными стадиями развития любого организма.
При мозаике развивающихся центров, каждый из которых жизненно необходим для выживания эмбриона, облучение в дозах, летальных для любого центра, будет смертельным для всего организма в целом. В этом случае радиочувствительность эмбриона определяется наиболее чувствительной системой, находящейся в данный момент в состоянии активного развития.
В то же время эмбрион обладает важной особенностью, не обнаруживаемой на иных стадиях жизненного цикла — выраженной способностью к восстановлению, регенерации и перестройке. Уже на самых ранних стадиях эмбрион содержит активные фагоциты, способные поглощать и устранять продукты клеточного распада и остатки разрушенных облучением клеток. После их удаления «организм в целом» старается по мере возможности заполнить образующийся дефицит оставшимися недифференцированными и не-
Рис. 18.1. Две крысы, подвергнутые рентгеновскому облучению в дозе 1 Гр на девятый с половиной день после зачатия:
а — правый глаз нормальный и микрофтальмия левого; б — двусторонняя анофтальмия(по Д. Шварцу, 1963)
Рис. 18.2. Гипофизарные карлики: крысенок, крольчонок и щенок, облучен-ные соответственно на 18, 23 и 45-е сут антенатального развития в дозах 3,4 и 2 Гр (рядом для сравнения представлены нормальные животные тогоже возраста) (по И.А. Пионтковскому, 1964)
разрушенными первоначальными клетками, благодаря чему эмбрион в топографическом отношении формируется нормально, но уменьшается его масса или отдельные его органы за счет разрушенных облучением клеток. Это приводит к микрофтальмии (рис. 18.1), микроцефалии, замедлению роста (рис. 18.2) и другим признакам потери образующихся «строительных материалов». В этих случаях эмбрион или новорожденный выглядит внешне нормальным, но отличается меньшими размерами. Отклонения от нормы могут быть также обнаружены при цитологическом или гистологическом анализе, по поведенческим тестам и укороченной продолжительности жизни. При изучении развития эмбрионов рыб, лягушек, мышей, крыс или человека наряду с некоторым сходством обнаружены и очень важные различия даже между близкими видами, которые и определяют в последующем строгую специфичность вида. Они же обусловливают и возрастно-специфические реакции на облучение.
Различают три основных периода внутриутробного развития организма, в течение которых изучают повреждающее действие ионизирующих излучений: до имплантации, период основного органогенеза, плодный период.
Кроме того, эмбриогенное действие радиации изучают при облучении самок непосредственно перед оплодотворением. Такое облучение вызывает гибель эмбрионов вследствие летального повреждения яйцеклетки.
Облучение на ранних стадиях (до имплантации и в начале органогенеза), как правило, заканчивается внутриутробной гибелью или гибелью новорожденного (при облучении в середине периода органогенеза). Воздействие в период основного органогенеза вызывает уродства, а облучение плода — лучевую болезнь новорожденного.
Наиболее исчерпывающие радиоэмбриологические исследования, проведенные на мышах, представляют чрезвычайно ценный экспериментальный материал не только для определения хронологии уродств, но и для понимания нормальной эмбриологии.
Эффект облучения мышей на разных стадияхвнутриутробного развития
Долго дискутировавшийся вопрос о непосредственном или опосредованном (через организм матери) механизме повреждающего действия ионизирующей радиации на плод был решен экспериментально. '
100100806040200806040200-4,5 -2,5 -0,5 0,5 2,54,5 6,58,5 10,5 12,5 14,5 16,5 18,5ДоДоПосле имплантацииоплодотворения имплантации Основной органогенез |Плод-4,5 -2,5 -0,5 0,5 2,54,5 6,58,5 10,5 12,5 14,5 16,5 18,5ДоДоПосле имплантацииоплодотворения имплантации Основной органогенез |ПлодВозраст и стадия развития эмбриона в момент облучения, сутВозраст и стадия развития эмбриона в момент облучения, сутРис. 18.3. Внутриутробная смертность новорожденных мышей и количество животных с признаками отклонения от нормы к моменту родов после облучения самок в различные периоды до оплодотворения в дозе 4 Гр и после оплодотворения в дозе 2 Гр (по Л. Рассел, У. Расселу, 1954)Рис. 18.3. Внутриутробная смертность новорожденных мышей и количество животных с признаками отклонения от нормы к моменту родов после облучения самок в различные периоды до оплодотворения в дозе 4 Гр и после оплодотворения в дозе 2 Гр (по Л. Рассел, У. Расселу, 1954)
100
100
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
-4,5 -2,5 -0,5 0,5 2,54,5 6,58,5 10,5 12,5 14,5 16,5 18,5
ДоДоПосле имплантации
оплодотворения имплантации Основной органогенез |Плод
-4,5 -2,5 -0,5 0,5 2,54,5 6,58,5 10,5 12,5 14,5 16,5 18,5
ДоДоПосле имплантации
оплодотворения имплантации Основной органогенез |Плод
Возраст и стадия развития эмбриона в момент облучения, сут
Возраст и стадия развития эмбриона в момент облучения, сут
Рис. 18.3. Внутриутробная смертность новорожденных мышей и количество животных с признаками отклонения от нормы к моменту родов после облучения самок в различные периоды до оплодотворения в дозе 4 Гр и после оплодотворения в дозе 2 Гр (по Л. Рассел, У. Расселу, 1954)
Рис. 18.3. Внутриутробная смертность новорожденных мышей и количество животных с признаками отклонения от нормы к моменту родов после облучения самок в различные периоды до оплодотворения в дозе 4 Гр и после оплодотворения в дозе 2 Гр (по Л. Рассел, У. Расселу, 1954)
Убедительно показано, что эмбриогенное действие радиации является преимущественно прямым, возможность дистанционного влияния на нарушение развития плода составляет не более 5% от общего повреждающего действия радиации [Нейфах А.А., 1975]. Ярким доказательством справедливости этого заключения могут быть, например, данные Л. Рассел о том, что заметные отклонения эмбриона от нормы могут быть легко вызваны на 7—8-е сут беременности облучением в дозах 0,1—0,25 Гр, на которое материнский организм, по существу, не реагирует. В то же время при облучении матери перед зачатием в заведомо повреждающих дозах (до 4 Гр) не обнаруживается никаких признаков повреждения развивающегося плода.
По наблюдениям И. А. Пионтковского (1969), изменения, возникающие в нейробластах зародыша, обнаруживаются уже через 2 ч после облучения, т. е. значительно раньше, чем развивается лучевой синдром у матери. Наконец, о непосредственном травмирующем действии радиации на эмбрион свидетельствует прямая зависимость тератогенного (индуцирование пороков развития, уродств) эффекта от степени радиочувствительности эмбриона, определяемая радиочувствительностью конкретных систем на разных стадиях развития. Общая картина, схематически представленная на рис. 18.3, подробнее будет рассмотрена ниже. 358
Рис. 18.4. Анэнцефалия у крысы (а) и экзэнцефалия (мозговая грыжа) у мыши (б). Облучение на 9-е сут эмбриогенеза (по С. Хиксу, 1954;Р. Рафу, 1960)Рис. 18.4. Анэнцефалия у крысы (а) и экзэнцефалия (мозговая грыжа) у мыши (б). Облучение на 9-е сут эмбриогенеза (по С. Хиксу, 1954;Р. Рафу, 1960)
Рис. 18.4. Анэнцефалия у крысы (а) и экзэнцефалия (мозговая грыжа) у мыши (б). Облучение на 9-е сут эмбриогенеза (по С. Хиксу, 1954;
Р. Рафу, 1960)
Рис. 18.4. Анэнцефалия у крысы (а) и экзэнцефалия (мозговая грыжа) у мыши (б). Облучение на 9-е сут эмбриогенеза (по С. Хиксу, 1954;
Р. Рафу, 1960)
Эмбрионы до имплантации (до 5-х сут) наиболее радиочувствительны к облучению — от 80 до 40% из них погибают до рождения, причем даже в этот период (с 1-х по 5-е сут) радиочувствительность с возрастом заметно понижается. Выжившие эмбрионы обычно не имеют заметных уродств. Затем следует период 6,5—12,5 сут, когда облучение вызывает наибольшую частоту уродств при минимальной внутриутробной смертности и наибольшей гибели новорожденных. При дозе 2 Гр гибель бывает наивысшей, если облучение происходит в период от9,5 до 10,5 сут и не отличается от контроля при облучении до 7,5 или после 11,5 сут. Таким образом, период основного органогенеза (6,5—12,5 сут) следует рассматривать как наиболее радиочувствительный для большинства органов и систем организма, облучение которых (в зависимости от их жизненной значимости) приводит к гибели плода, новорожденного или возникновению уродств (рис. 18.4).
Это не является чем-то неожиданным, так как еще раз подтверждает общую связь радиочувствительности клеток с такими процессами их жизни, как деление и дифференцировка. При этом самыми радиочувствительными являются дифференцирующиеся клетки; именно они определяют наиболее радиочувствительные стадии в развитии определенной ткани, органа, системы. Вот почему ионизирующее излучение является великолепным инстру-
ментом в руках эмбриологов, с помощью которого удается со значительно большей точностью, чем посредством ранее применявшейся экстирпации, определять предполагаемые зоны формирования того или иного органа в эмбрионе на ранних стадиях развития, так как известно, что дифференциация органа может предшествовать видимому появлению его зачатка. Для наглядности ниже приведены основные аномалии развития, отмеченные в литературе, посвященной действию радиации на эмбрион животных и человека.
Основные отклонения от нормы, обнаруживаемые у млекопитающих (включая человека) после облучения плода
Мозг
Глаза
Скелет
Другие аномалии
Отсутствие головного мозга
Парэнцефалия Микроцефалия Мозговая грыжа Монголизм Уменьшение продолговатого мозга
Атрофия головного мозга
Умственная отсталость
Идиотия
Нейробластома
Сужение силь- виего водопровода
Водянка головного мозга
Розетки в нервной ткани
Расширение третьего и бокового желудочков мозга
Уменьшение или отсутствие некоторых черепно-мозговых нервов
Полное отсутствие — анофталь- мия
Микрофтальм Микрокорнеа Колобома
Деформация радужной оболочки
Отсутствие хрусталика (отдельно или в сочетании с отсутствием сетчатки)
Открытые веки Косоглазие Ретинобластома Дальнозоркость Врожденная глаукома
Частичный альбинизм
Равномерное уменьшение: задержка роста
Уменьшение черепа
Сводчатый череп
Узкая голова
Черепной пузырь
Воронкообразная грудь
Врожденный вывих бедер
Уменьшение и деформация хвоста
Чрезмерное развитие и деформация ног
Уменьшение пальцев
Пяточная стопа
Нарушение развития конечностей
Синдактилия Брахидактилия
Нарушение одонтогенеза
Экзостоз большеберцовой кости
Изменение метафиза
Нарушение эма- леобразования
Склеротомный некроз
Обратное расположение органов
Водянка почки
Водянка мочеточника
Водянка яичка
Отсутствие почки
Дегенерация гонад
Атрофия нижних конечностей
Депигментация и гиперпигментация кожи
Двигательные расстройства конечностей
Увеличение вероятности возникновения лейкемии
Врожденный порок сердца
Деформация уха
Деформация лица
Нарушение функции гипофиза
Дерматомаль- ный миотомаль- ный некроз
Рис. 18.5. Критические периоды облучения эмбриона мыши, обусловливающие появление отклонений от нормы, с учетом их частоты (ширина полосы) и дозы излучения (степень за- штрихованности). Чем шире и сильнее заштрихована полоса, тем больше радиочувствительность; неровный конец полосы указывает на то, что за пределами этой стадии облучение не производили (по Л. Рассел, 1950):
— микрофтальмия, 2 — колобома,
3 — сужение радужной оболочки, 4 — открытые веки, 5—сводчатый череп, 6—черепной пузырь, 7—суженная голова, 8 — аномалия морды и ноздрей, 9 — раздвоение остистых отростков позвонков, 10 — аномалии заднего прохода, 11 — аномалии мочеполовой системы, 72 — укорочение хвоста, 13 — деформация хвоста, 14— чрезмерное развитие передних лап, 15 — чрезмерное развитие зад
них лап, /6—уменьшение задних лап, 17— уменьшение передних лап,
— аномалии передних конечностей, 19— аномалии задних конечностей
J100%J100%■ 2Гр ИЗГр Ш4Гр■ 2Гр ИЗГр Ш4Гр0,5-4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,511,512,5 13,5
J100%
J100%
■ 2Гр ИЗГр Ш4Гр
■ 2Гр ИЗГр Ш4Гр
Стадия эмбрионального развитияк моменту облучения, сут
В результате тщательных радиоэмбриологических исследований Л. и У. Расселам удалось составить своеобразные временно-топографические карты возникновения всех описанных аномалий развития. Кроме того, оригинальные данные по морфофункциональным изменениям ЦНС у животных, облученных в антенатальном периоде, имеются в монографии И .А. Пионтковского (1964). На рис. 18.5 приведены критические периоды появления описанных аномалий и их частота при разных дозах излучения, что позволило уточнить сроки закладки отдельных органов и систем.
Последствия облучения эмбриона человека
Аномалии развития плода человека, вызываемые облучением, экспериментально удается воспроизвести при облучении эмбрионов мыши и крысы на сравнимых стадиях развития. Сопоставляя стадии их эмбриональных структур в двух периодах беременности, можно построить соответствующую кривую, коррелирующую эквивалентные возрасты эмбрионов мыши и человека. И хотя скорости развития эмбриона мыши и человека различаются с возрастом, особенно после 14-х сут, однако средний коэффициент приведения между ними равен приблизительно 13. Поэтому экстраполяция результатов облучения эмбрионов мыши на эффекты у плода человека обладает большой долей вероятности, что и позволяет получать информацию о специфической чувствительности к излучению отдельных органов человека. На рис. 18.6 приведена такая экстраполяционная диаграмма, построенная на основе данных для мыши (при облучении в дозе 2 Гр) и известных эмбриологических фактов.
С учетом приведенного коэффициента период наибольшей радиочувствительности эмбриона человека сильно растянут во вре-
Предимплан- Примордиаль- Органогенез Плод тация ные органыВремя, сут
Рис. 18.6. Экстраполяционная кривая, демонстрирующая ожидаемые результаты облучения эмбриона человека на разных стадиях развития, построенная на основе экспериментов на животных (по Р. Рафу, 1962):
7 — мозговая грыжа, водянка мозга, микрофтальмия; 2—изменение свода черепа, 3 —дегенерация сосудов головного мозга, уменьшение продолговатого мозга, 4 — перерож-дение среднего мозга и клеток коры, 5 — перерождение спинного и продолговатогомозга, 6—нарушение развития мозолистого тела, 7—нарушение развития полушарийголовного мозга, аммонова рога, 8 — нарушение развития полосатого тела
мени. Он начинается, вероятно, с зачатия и кончается приблизительно 38-ми сут после имплантации; в этот период развития у эмбриона человека начинают формироваться зачатки всех органов посредством быстрой дифференцировки из клеток первичных типов. Подобные превращения у эмбриона человека в период между 18-ми и 38-ми сут происходят почти в каждой из тканей. Так как переход любой клетки из эмбрионального состояния в состояние зрелости — наиболее радиочувствительный период ее формирования и жизни (независимо от того, является ли она нейро-, мио-, остео- или эритробластом и др.), все ткани в это время оказываются высоко радиочувствительными.
Мозаичность процесса дифференциации эмбриона и связанное с этим процессом измененение числа наиболее радиочувствительных клеток определяют степень радиочувствительности той или иной системы или органа и вероятность появления специфической аномалии в каждый момент времени. Поэтому фракционированное облучение плода приводит к более тяжелым повреждениям, так как воздействие захватывает разнообразные типы зародышевых клеток и их различное распределение, что вызывает повреждение большого количества зачатков органов, находящихся на критических стадиях развития. В этот период максимальное поражение может быть спровоцировано очень малыми дозами ионизирующего излучения; для получения аномалий в более поздний период эмбрионального развития требуется воздействие больших доз.
Приблизительно через 40 сут после зачатия грубые уродства вызвать трудно, а после рождения — невозможно. Однако следует помнить, что в каждый период развития эмбрион и плод человека содержат некоторое количество нейробластов, отличающихся высокой радиочувствительностью, а также отдельные зародышевые клетки, способные аккумулировать действие излучения.
Как показали результаты изучения последствий облучения беременных женщин во время атомной бомбардировки в Хиросиме и Нагасаки, степень проявления аномалий и их особенности в основном соответствовали ожидаемым. Так, согласно одному из обследований, у 30 женщин, находившихся в 2 км от эпицентра взрыва и имевших серьезные симптомы лучевого воздействия, примерно в половине случаев отмечена внутриутробная смертность плода, гибель новорожденных или младенцев, а у четырех из 16 выживших детей наблюдалась умственная отсталость. Согласно данным другого наблюдения, почти у половины (45%) детей, родившихся от матерей, подвергшихся облучению при сроках беременности 7—15 нед, имелись признаки умственной отсталости.
Кроме того, у потомства женщин, перенесших облучение в первой половине беременности, отмечены микроцефалия, задержка роста, монголизм и врожденные пороки сердца, частота и степень аномалий были выше в тех случаях, когда пострадавшие матери находились на расстоянии менее 2 км от эпицентра взрыва. Но и в этих случаях не наблюдалось таких резких неврологических нарушений, какие были получены при облучении мышей, что, вероятно, связано с малой выживаемостью таких детей. Эти наблюдения относятся лишь к 6 -7-летним детям, а в этом возрасте еще не проявляются многие нарушения, которые могут быть обнаружены только в юношеском и более позднем возрасте.
Согласно данным обзора 1975 г., ежегодное обследование в Хиросиме и Нагасаки 1600 жителей, подвергшихся облучению в пренатальный период, показало, что у лиц, матери которых находились на расстоянии ~2 км от эпицентра, отмечалось некоторое уменьшение объема головы, замедление роста и снижение массы тела. При меньших дозах заметных отклонений в физическом развитии и росте детей не отмечено.
После уточнения индивидуальных доз было установлено, что в Хиросиме тератогенный эффект радиации проявлялся уже в диапазоне доз от 0,1 до 0,2 Гр.
Наибольший риск развития умственных расстройств наблюдается при облучении плода в период от 8 до 15 нед после зачатия. На рис. 18.6 показана зависимость от поглощенной дозы задержки умственного развития у лиц, подвергшихся облучению в этот наиболее чувствительный период.
Следует иметь в виду, что облучение эмбриона в малых дозах может вызвать такие функциональные изменения в клетке, которые невозможно зарегистрировать современными методами исследования, но которые способствуют развитию болезненного процесса через много лет после облучения. Следовательно, все отдаленные последствия облучения эмбриона могут быть выражены в большей степени, нежели при облучении взрослого организма. Так, например, согласно данным статистического анализа [Стьюарт А. и др., 1956], частота лейкемий у потомства матерей, подвергавшихся рентгеновскому облучению во время беременности, приблизительно удваивается.
Облучение эмбриона в первые 26 нед при дозе >0,1 Гр чревато рождением неполноценных детей, в связи с чем подобная ситуация может служить основанием для аборта по медицинским показаниям.
364
Заслуживают внимания сведения о последствиях облучения матерей во второй половине беременности. К ним относятся данные о повышенной заболеваемости и смертности таких детей в Нагасаки, а также сообщения об аномалиях развития, наблюдавшихся при рентенотерапевтических процедурах, проводимых на разных сроках беременности матерей. Так, в сводке, охватывающей 168 подобных случаев [Раф Р., 1962], утверждается, что облучение эмбриона человека в период первых двух месяцев ведет к 100%-му поражению, в период от 3 до 5 мес — к 64, в период от 6 до 10 мес — к 23% поражения эмбрионов. Эти данные следует, конечно, иметь в виду, но их ценность для надежных выводов относительно облучения эмбриона и плода человека ограничена отсутствием точных дозиметрических параметров.
Механизмы радиоэмбриологического эффекта и оценка его последствий
Приведенные данные позволяют сделать заключение, что уродства, индуцируемые действием ионизирующего излучения на эмбрион и плод, никогда не могут иметь место при облучении организма после рождения. Однако легко себе представить появление функционально-морфологических нарушений в отдельных тканях или системах развивающегося организма, которые на момент облучения еще не закончили своего формирования.
Типичным примером такого рода может служить мозжечок, который дифференцируется последним из отделов ЦНС и потому радиоустойчив до последней трети беременности, но становится высоко радиочувствительным в течение нескольких недель после рождения благодаря наличию нейробластов. В гл. 6 упоминалось, что в нашей лаборатории наблюдали до 90% интерфазной гибели клеток коры мозжечка у крысят и мышат, облученных в дозах до 10 Гр в первую неделю после рождения. На основании полученных результатов о высокой радиочувствительности дифференцирующейся коры мозжечка мы объяснили и наблюдавшиеся частые случаи атаксии (нарушения двигательного равновесия) у мышей, которые в первую неделю после рождения были подвергнуты тотальному облучению в дозах 15—20 Гр в условиях острой газовой гипоксии.
Механизмы радиоэмбриологического эффекта аналогичны рассмотренным при описании основных радиобиологических ре- 365
акций клеток. Исключительная особенность эмбриона определяется наличием большого числа недифференцированных первичных клеток, направленных на компенсацию клеточных утрат, благодаря чему облученный организм продолжает развиваться как целое, хотя неминуемым следствием облучения является возникновение состояния недостаточности (неполноценности), переносимость которой организмом зависит от степени замещения пораженных клеток клетками, остававшимися недифференцированными.
Исход поражения эмбриона, таким образом, выражается неким равновесием между начальным эффектом облучения и способностью «организма как целого» восстановить от поражения отдельные его части, регенерирующие посредством вновь ориентированных жизнеспособных первичных клеток.
Например, облучение в дозе 0,5 Гр может вызвать гибель практически всех клеток сетчатки глаза эмбриона мыши, но они замещаются путем такого рода регенерации, и мышонок оказывается зрячим.
Эмбрионы, не выживающие после облучения, обычно погибают вследствие поражения одной или нескольких жизненно важных систем, их поражение вызывает гибель других систем, способных выжить в нормальной окружающей среде. Трансплантация органов от облученных эмбрионов интактным реципиентам давала возможность этим органам выжить и развиваться нормально.
Каков же внутренний механизм аномалий, возникающих при облучении эмбриона?
Прежде всего следует отметить, что описанные аномалии развития не являются специфической особенностью действия только ионизирующего излучения. Они наблюдаются также и под влиянием некоторых ферментативных ингибиторов и радиомиметических веществ, например иприта и других алкилирующих соединений. Однако из-за высокой проникающей способности ионизирующей радиации разнообразие пострадиационных аномалий по сравнению с любым другим агентом внешней среды значительно шире.
Часто утверждают, что аномалии развития плода, возникающие под влиянием облучения или других агентов, являются фенокопиями [Пионтковский И.А., 1964]. Термин «фенокопия» был предложен немецким биологом И. Гольдшмидтом (1955). Под фенокопией понимают возникающее в процессе развития под влиянием внешних факторов изменение признака, зависящего от определенного 366
генотипа, и ведущее к копированию признаков, характерных для другого генотипа или его отдельных элементов. При этом возникшие фенотипические модификации не наследственны, т. е. сам генотип остается неизменным. Следовательно, фенокопия идентична генной (хромосомной) мутации, но это далеко не во всех случаях указывает на прямую связь между действием внешнего агента и данной мутацией, так как развитие признака проходит через ряд связанных звеньев и конечный фенотипический эффект может не зависеть оттого, какое из звеньев было выключено или изменено.
Радиоэмбриологический эффект вряд ли можно объяснить изменениями только генетического (хромосомного) аппарата. Тем самым, как справедливо замечает Р. Раф, явление значительно упрощается, ибо данная концепция не касается регуляторных или интегрирующих способностей «организма как целого» и не объясняет, почему облученные зачатки органа развиваются лучше после трансплантации необлученному хозяину. И хотя нельзя в принципе отрицать роль мутации генов в возникновении аномалий развития, в настоящее время нет достаточных оснований рассматривать последние просто как фенокопии, идентифицируя их тем самым с соматическими мутациями. Нельзя забывать, что эмбриону свойственна уже упоминавшаяся «регулирующая способность» использовать остающийся нормальный материал для развития топографически целого индивидуума. Эту интегрирующую способность трудно объяснить действием генов, если так же объясняется и дезинтегрирующее аномальное развитие.
Независимо от деталей механизма радиоэмбриологического эффекта последствия облучения эмбриона или плода таковы, что неизбежно приводят к выводу о необходимости любой ценой предотвращать лучевые воздействия в этом периоде. Пороговая доза излучения, вызывающая аномалию плода человека, пока не установлена, но облучение в дозе 0,05 Гр повышает частоту резорбции оплодотворенного яйца у мыши на очень ранней стадии (перед стадией дробления).
Есть основания полагать, что даже диагностические облучения беременных женщин (при дозах 0,001—0,2 Гр) могут вызвать значительные уродства, особенно если это происходит в период ран-
ней стадии развития ЦНС (до 38-го дня после имплантации). Как полагает Д. Висли (1960), по крайней мере 96% всех смертей, вызванных врожденными уродствами, могут обусловливаться радиационным фоном, а наблюдавшееся в США с 30-х по 60-е годы прошлого века увеличение уродств на 60% явилось, по его мнению, результатом непродуманного медицинского применения рентгеновского излучения.
Кроме того, очень важной проблемой, влияющей на оценку результатов облучения в период эмбриогенеза, является изучение частоты и момента возникновения отдаленных последствий облучения. Например, если развитие видимой картины рака у человека происходит через 15—30 лет после облучения, то будет ли так же продолжителен латентный период, если облучению подвергается эмбрион или пл од? Дополнительно к уже приведенным выше примерам, демонстрирующим серьезность этой проблемы, можно добавить следующее. Проведенный Р. Моулом (1974) ретроспективный анализ опубликованных материалов об опухолях у детей выявил повышенную частоту лейкемии и злокачественных опухолей у детей, рожденных от матерей, прошедших радиографические обследования, в 10% случаев это были одиночные плоды, а в 55% — близнецы. Множественность наблюдавшихся лейкемий и солидных опухолей дает основание автору для уверенного заключения о причинно-следственной связи между этими заболеваниями и облучением плода.
Поданным А. Стьюарта (1973), в первые 10 лет жизни у 15 млн одиночных детей и 350 тыс. близнецов, подвергшихся облучению во внутриутробном состоянии, относительный риск заболевания лейкемией или солидными опухолями возрастает в 1,5 раза для одиночных детей и соответственно в 2,2 и 1,6 раза для близнецов.
Суммируя все имеющиеся данные, в последнем обзоре 1997 г. Долл и Бекфорд пришли к следующему заключению. Облучение in utero в малых дозах, особенно в последний триместр, увеличивает риск детского рака (регистрируемого в первые 10—15 лет жизни). Уже при дозе около 0,01 Гр (1 рад) риск детского рака увеличивается на 40% выше спонтанного уровня. Увеличение абсолютного риска при этом составляет около 6% на 1 Гр, что не сильно отличается от риска выживших после бомбардировки взрослых японцев.
При облучении зачатков половых органов у эмбрионов на ранней стадии развития можно ожидать иных последствий, чем при облучении гонад взрослого организма, хотя бы из-за различия радиочувствительности их половых клеток. Кроме того, изменения в небольшом числе таких зачаточных половых клеток эмбриона окажут гораздо больший эффект, так как они являются предшественниками огромного числа клеток эпителия половых желез 368
взрослого человека, следовательно, любое воздействие излучения на первичную зародышевую клетку эмбриона передается всем клеткам ее последующих поколений.
Все изложенное дает основание для подтверждения справедливости раннего (1962) высказывания одного из основоположников радиационной эмбриологии Р. Рафа: «...ионизирующее излучение является и будет оставаться в будущем важнейшим орудием в деле расцвета цивилизации, как это уже было показано в медицине, в других областях науки и техники. Средняя продолжительность жизни человека увеличилась в значительной степени благодаря развитию радиологии. Тем не менее задача каждого радиоэмбриолога — подчеркивать, что эмбрион крайне радиочувствителен и что облучение его может вызвать далеко идущие последствия». Демонстрацией справедливости высказанной Р. Рафом 40 лет назад точки зрения является остающееся без изменений заключение НКДАР-84 о том, что радиочувствительность плода по индукции отдаленных последствий облучения в 10—300 раз больше по сравнению со взрослым организмом.
РЕЗЮМЕ
Организм эмбриона и плода обладает крайне высокой радиочувствительностью. Облучение в этот период даже в незначительных дозах (> 0,1 Гр) вызывает тератогенные эффекты в виде различных пороков развития, задержки умственного развития и уродств.
Вероятность появления конкретных тератогенных эффектов зависит от того, на какой стадии эмбрионального развития произошло облучение, а число и тяжесть эффектов — от дозы.
Наиболее чувствительным периодом является период от 8 до 15 нед после зачатия.
Эмбриогенные эффекты облучения в основном являются следствием прямого воздействия, на опосредованное действие радиации через организм матери приходится не более 5%.
Облучение эмбриона даже в малых дозах в 1,5—2 раза увеличивает спонтанный уровень детского (в первые 10—15 лет жизни) рака.
Диагностическое применение ионизирующих излучений в период беременности должно производиться только в исключительных случаях по строгим медицинским показаниям, учитывающим вероятность развития тератогенных эффектов.
ч ГА ГЛАВА
1 V ФАРМАКОХИМИЧЕСКАЯ
ПРОТИВОЛУЧЕВАЯ ЗАЩИТА ОРГАНИЗМА
Ослабление радиационного поражения организма предварительным введением противолучевых агентов — протекторов Молекулярные, клеточные и системные механизмы фармакохимической противолучевой защиты
Защита в разных условиях облучения
Защита от отдаленных последствий облучения
Возможности использования противолучевых защитных средств человеком
Расширяющееся применение ионизирующих излучений в различных областях науки и техники выдвигает в качестве одной из фундаментальных задач радиобиологии поиск путей повышения радиоустойчивости организма. Применение ядерных частиц в онкологии (см. гл. 21) и развитие космических исследований делает актуальным решение этих вопросов применительно к малоизученным видам радиации, в частности к корпускулярным излучениям высоких энергий.
Реальная возможность повышения радиорезистентности организма состоит в применении средств противолучевой защиты, под которыми понимают специальные фармакологические препараты — радиопротекторы, или создание гипоксического состояния кратковременным вдыханием обедненных кислородом газовых смесей.
Под фармакологической защитой (в строгом смысле слова) понимают повышение выживаемости животных с помощью того или иного протектора, применяемого в разные сроки перед облучением.
За полвека, прошедшие со времени открытия возможности предотвратить гибель животных, подвергнутых облучению в смертельных дозах, с помощью химических средств [Бак 3., Патт Г.], были изучены многие тысячи соединений. Однако практическое применение протекторов человеком наталкивается на ряд трудно-
стей, связанных как с особенностями используемых соединений, так и с малочисленностью сведений об их действии в разных условиях облучения.
Основные классы химических радиопротекторов
Нет такого класса соединений, в котором бы не был произведен поиск радиозащитных средств в экспериментах на животных.
Цианистый натрий — одно из двух соединений, о котором в 1949 г. А. Эрв и 3. Бак сообщили как о протекторе; введение его мышам в количестве 5 мг/кг непосредственно перед облучением в летальных дозах повышало их выживаемость по сравнению с контролем.
Цистеин — второе соединение, с которым связано открытие явления фармакологической противолучевой защиты. Г. Патт в 1949 г. сообщил о значительном повышении выживаемости мышей, получавших перед облучением в летальной лозе инъекцию цистеина в дозе 1000 мг/кг.
В последующем был обнаружен радиозащитный эффект цистеамина и цистамина (3. Бак), меркаптопропиламина (Е.Ф. Романцев), серотонина (Г. Лангендорф), мексамина (П.Г. Жеребченко, Н.Н. Суворов), аминоэтилизотиурония (Г. Доэрти), аминоалкилтиофосфатов (П.Г. Жеребченко, С.П. Ярмоненко, И.Л. Кнунянц), индралина (М.В. Васин), а также резерпина, гистамина, оксида углерода, парааминопропиофенона и др.
Несмотря на обилие испытанных средств, наиболее перспективные и высокоэффективные из них относятся к двум большим классам соединений: индолилалкиламинам и меркаптоалкилами - нам. Именно эти соединения и будут предметом дальнейшего рассмотрения.
ИНДОЛИЛАЛКИЛАМИНЫ
Относящиеся к этому классу соединения можно рассматривать как производные триптамина:
—сн2сн2 nh2
N
Iн
МЭАМЭА
МЭА
МЭА
Триптамин при внутрибрюшном введении мышам за 5—20 мин перед облучением повышает их выживаемость на 25—30% по сравнению с контролем. Значительно более выраженным радиозащит- ным эффектом обладает 5-окситриптамин, известный под названием серотонин*.
N
I
Н
П.Г. Жеребченко и Н.Н. Суворовым было показано, что введение многих радикалов в 5-е положение индольного кольца триптамина повышает радиозащитную эффективность образующегося соединения.
Наиболее изучен из этого класса соединений, кроме серотонина, 5-метокситриптамин, хлористоводородная соль которого известна как мексамин:
CH2CH2NH2
NIН
Защитный эффект мексамина показан в опытах на мышах, крысах, собаках и обезьянах.
МЕРКАПТОАЛКИЛАМИНЫ
Вскоре после открытия радиозащитного действия цистеина было показано (3. Бак, 1952), что продукт декарбоксилирования этой аминокислоты — цистеинамин (цистеамин, 2-меркаптоэти- ламин — МЭА, бекаптан, меркамин)
HS—СН2—CH—NH2^X HS —СН2—СН2—nh2
СООНЦистеин
обладает более выраженным противолучевым эффектом. Внутрибрюшинное введение мышам или крысам МЭА в количестве 150 мг/кг за 5—15 мин перед облучением их в минимальной абсо- 372
лютно летальной дозе позволяет предотвратить гибель 80—100% животных.
Обнаружение радиозащитных свойств МЭА послужило импульсом к интенсивному поиску радиозащитных средств в классе серосодержащих соединений, в результате были обнаружены другие не менее эффективные протекторы. Главные из них: цистамин (дисульфид МЭА), меркаптопропиламин и его дисульфид, аминоэтил изотиуроний, меркаптоэтилгуанидин и его дисульфид — гуа- нилэтилдисульфид, меркаптопропилгуанидин и, наконец, аминоалкилтиофосфаты.
Все эти соединения имеют общую структуру: /?N (СН2) nSR.
Замечено, что различные замещения по азоту аминогруппы, как правило, не влияют на радиозащитные свойства вещества или усиливают их, например, при замещении на гуанидиновую группировку. Замещения водорода в тиольной группе резко ослабляют радиозащитный эффект (за исключением окисления с образованием дисульфидов), а удлинение углеводородной цепочки более чем натри метильные группы ведет к утрате защитного действия.
nh2сн2сн2nh2сн2сн2Предполагают, что в процессе метаболизма этих соединений в организме происходит образование меркаптоэтиламина или мер- каптопропиламина, которые и обусловливают защитный эффект:
nh2
сн2
сн2
nh2
сн2
сн2
NH2 nh2
СН2 СН2 „ || Восстановление
сн2 сн2
S — S
Дисульфид 2-меркаптоэтиламина, 2-Меркаптоэтиламин, МЭА цистамин
h2nnh2Н2Ссн2HC-S-S-CHН3Ссн3h2nnh2Н2Ссн2HC-S-S-CHН3Ссн3nh2
h2nnh2
Н2Ссн2
HC-S-S-CH
Н3Ссн3
h2nnh2
Н2Ссн2
HC-S-S-CH
Н3Ссн3
сн2
Восстановление |
* HSCH
сн3
Дисульфид 2-меркаптопропиламина 2-Меркаптопропиламин, МПА
nh2 nh2
nh2
сн2 сн2
сн2
11
СН2 СН2Восстановление
2 СН2
сн2 сн2
сн2
S —SSH
Дисульфид 3-меркаптопропиламина З-Меркаптопропиламин, 3-МПА
СН2 — СН2NH2 SС/XNH2 NHСН2 — СН2NH2 SС/XNH2 NHСН2-СН2I IТрансгуани- NH SH Ферментативный лированиегидролиз* СNH2CONH2 */\NH NH2Мочевина2-Меркаптоэтил -гуанидин, 2-МЭГСН2-СН2I IТрансгуани- NH SH Ферментативный лированиегидролиз* СNH2CONH2 */\NH NH2Мочевина2-Меркаптоэтил -гуанидин, 2-МЭГсн2—сн2NH2 SHсн2—сн2NH2 SHМЭАМЭА
СН2 — СН2
NH2 S
С
/X
NH2 NH
СН2 — СН2
NH2 S
С
/X
NH2 NH
СН2-СН2I I
Трансгуани- NH SH Ферментативный лированиегидролиз
* СNH2CONH2 *
/\
NH NH2
Мочевина
2-Меркаптоэтил -
гуанидин, 2-МЭГ
СН2-СН2I I
Трансгуани- NH SH Ферментативный лированиегидролиз
* СNH2CONH2 *
/\
NH NH2
Мочевина
2-Меркаптоэтил -
гуанидин, 2-МЭГ
сн2—сн2
NH2 SH
сн2—сн2
NH2 SH
МЭА
МЭА
2-Аминоэтилизоти- уроний, АЭТ
сн2-сн2-сн2 сн2-сн2-сн2сн2-сн2-сн2 сн2-сн2-сн2NHNH^-S-S-1^-S-S-1N Н/Nn ВосстановлениеN Н/Nn Восстановление22сн2—сн2-сн2NH SHсн2—сн2-сн2NH SHССССNH NH2NH NH2NH NH2NH NH2С /\ NH NH2С /\ NH NH2
сн2-сн2-сн2 сн2-сн2-сн2
сн2-сн2-сн2 сн2-сн2-сн2
NH
NH
^-S-S-1
^-S-S-1
N Н
/Nn Восстановление
N Н
/Nn Восстановление
2
2
сн2—сн2-сн2
NH SH
сн2—сн2-сн2
NH SH
С
С
С
С
NH NH2
NH NH2
NH NH2
NH NH2
С /\ NH NH2
С /\ NH NH2
3-МЭГ3-МЭГNH2СН22 СН2 сн2SHNH2СН22 СН2 сн2SH
3-МЭГ
3-МЭГ
NH2
СН2
2 СН2 сн2
SH
NH2
СН2
2 СН2 сн2
SH
Гуанилпропилдисульфид
Ферментативный гидролиз
2NH2CONH2
Мочевина
ЗМПА
nh2
nh2 nh2nh2
сн2
сн2 (СН2)зCH2
Дефосфорилирование
1 2”
•'Гидролиз'
CH2 NH> CH2
।|Дефосфорилирование |
S-p^-OH
XNa
SH CH2 0SH
МЭА j_p^OHМЭА
Na
2-Аминоэтилтио-2,3-Аминопропил, аминоэтилфосфат, цистафосфосфат, гаммафос
Оценка радиозащитного эффекта
Согласно общепринятым представлениям, радиопротекторы как бы уменьшают эффективную дозу излучения. Например, если при введении какого-либо протектора перед облучением животных их ЛД50/30 снижается с 10 до 6 Гр, то фактор изменения дозы (см. гл. 9) ФИД = 1,7. В первом приближении это означает, что подопытные животные, которым введен протектор, после облучения в дозе 10 Гр по общему состоянию адекватны контрольным животным, облученным в дозе 6 Гр без протектора.
Кроме того, важной характеристикой конкретного протектора является его терапевтическая широта, или терапевтический индекс.
Общей характерной чертой аминотиолов и индолилалкилами- нов является выраженная зависимость их защитного действия от химической структуры; самое небольшое изменение последней приводит к ослаблению или утрате защитного эффекта.
Различия между этими классами соединений состоят в следующем:
— диапазон эффективных доз (концентраций) тиолов узок, причем защитный эффект нарастает с дозой препарата и достигает максимума одновременно с проявлением токсического действия, вызывающего гибель контрольных животных;
Рис. 19.1. Зависимость защитного эффекта от количества вводимого в организм протектора (мг/кг массы) при облучении мышей в дозе 9 Гр: а — выживаемость; б— количество клеток (л) костного мозга (по Т.Н. Пугачевой, 1971):
1 — мексамин; 2 — АЭТ; 3— цистафос. Верхняя шкала абсцисс — мексамин и АЭТ, нижняя — цистафос
— у индолилалкиламинов диапазон эффективных концентраций значительно шире, причем защитный эффект достигает максимума уже при незначительных концентрациях, в результате чего кривая зависимости степени защиты от дозы препарата выходит на плато значительно быстрее, чем у тиолов.
Эти различия наглядно представлены на рис. 19.1, демонстрирующем полученные в нашей лаборатории результаты изучения эффективности мексамина, АЭТ и цистафоса по двум критериям — 30-суточной выживаемости мышей и числу миелокариоци- тов костного мозга после облучения животных в дозе 9 Гр. Кривые, характеризующие защитную эффективность мексамина, по обоим критериям уже при количестве препарата 7—10 мг/кг достигают максимума и выходят на плато.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что в расчете на эквимолярные концентрации индолилалкиламины в 10 раз и более эффективнее тиолов, что весьма важно для их практического применения, так как защитный эффект может быть достигнут при
Время после облучения, сут
Рис. 19.2. Динамика гибели мышей при облучении в супралетальных дозахпод влиянием раздельного и комбинированного применения протекторов:/ — контроль, 2 — мексамин (75 мг/кг), 3 — АЭТ (150 мг/кг), 4 — АЭТ + мексамин(50 + 25 мг/кг)
значительно меньших количествах вводимого в организм протектора.
Различия в зависимости защитного эффекта от дозы протектора определяются разными механизмами действия соединений этих классов в организме. Считают, что для индолилалкиламинов в основном характерен фармакологический, опосредованный механизм защитного действия, а для тиолов — клеточно-концентрационный механизм, реализуемый непосредственно в клетках критических систем. Иными словами, защитное действие индолилалкиламинов связывают с их сосудосуживающим эффектом и вызываемой ими гипоксией, а защита тиолами, как предполагают, менее связана или совсем не связана с уровнем напряжения кислорода.
Именно этим принято объяснять возможность усиления защитного эффекта при совместном применении индолилалкиламинов и тиолов. Действительно, как видно из рис. 19.2, одновременное введение мышам АЭТ и мексамина повышает их выживаемость при дозах 10—12 Гр на 25—65% по сравнению с результатами
377
раздельного применения этих протекторов. Однако результатам этих экспериментов, как будет показано далее, может быть дано и другое объяснение.
Механизмы противолучевой защиты
При анализе возможностей противолучевой защиты организма обычно исходят из предполагаемых механизмов защиты клеток его критических систем, гибелью которых, как уже было показано (см. гл. 12, 13), обусловлены основные синдромы ОЛБ.
В многочисленных работах, посвященных защитному эффекту разнообразных протекторов, авторы первоначально стремились расшифровать молекулярные и биохимические механизмы защиты, специфичные для исследуемых ими средств. Из-за многообразия и сложности острого лучевого синдрома казалось маловероятным существование универсального механизма защиты. Однако по мере накопления экспериментальных данных все более реальным становилось и поныне господствующее представление о неком общем механизме действия абсолютного большинства радиопротекторов [Граевский Э.Я., 1960]. Об этом свидетельствуют многочисленные общие феноменологические признаки защитного эффекта соединений разных классов.
Прежде всего их роднит необходимость введения протекторов до облучения. Далее, величина ФИД наиболее эффективных протекторов и их смесей, а также общей гипоксии в опытах на животных и в экспериментах in vitro примерно одинакова и составляет < 3. Наконец, общим свойством всех радиозащитных средств является зависимость их действия от ЛПЭ, с увеличением которой эффективность защиты, постепенно уменьшаясь, исчезает (см. гл. 10).
Если, исходя из сходства в проявлении защитного эффекта, сделать вывод о существовании некоего единого механизма защиты, то логично предположить необходимость непосредственного участия протекторов в акте защиты, определяемом общим для всех классов веществ свойством. С таким же основанием можно предполагать, что радиозащитный эффект обусловлен однонаправленными метаболическими изменениями, наступающими под влиянием различных противолучевых агентов, независимо от их природы. Именно к этому и сводятся гипотезы, постулирующие существование единого опосредованного механизма защиты. Их различие заключается лишь в определении эндогенных факторов, осуществляющих это опосредованное влияние.
ПЕРЕХВАТ И ИНАКТИВАЦИЯ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ
Начиная с первых работ П. Александера и 3. Бака (1955), установивших для соединений различных классов корреляцию между их радиозащитной активностью in vivo и in vitro, широкое распространение получила точка зрения об общем механизме действия протекторов, состоящем в уменьшении косвенного действия радиации путем перехвата и инактивации свободных радикалов и других активных продуктов радиолиза воды.
Существуют, однако, веские возражения против признания общности такого механизма действия протекторов in vivo. Прежде всего с позиции перехвата радикалов не понятны большие различия в эффективных количествах протекторов: при сравнении в эквимолекулярных концентрациях они могут различаться на несколько порядков (цианиды, резерпин — 2—4 мг/кг, цистеин — 1 г/кг). Противоречит природе такого механизма защиты и то, что незначительное изменение структуры соединения вызывает у него утрату защитных свойств, а также ярко выраженная специфичность соединений in vivo в сопоставлении с данными о приблизительно одинаковой способности инактивировать радикалы в водных растворах. Так, например, триптофан, гистидин, тирозин, индол, амины индольного ряда и индолилкарбоновые кислоты — столь же эффективные инактиваторы радикалов in vitro, как и триптамин, гистамин и тирамин, однако лишь последние обладают защитным эффектом in vivo.
Противоречит противорадикальному механизму тот факт, что локальное внутриклеточное содержание протекторов значительно ниже, чем их эффективные концентрации в облучаемых растворах, а способность реагировать с радикалами едва ли выше, чем у различных клеточных метаболитов. Серьезное возражение, наконец, состоит и в том, что радиочувствительность ферментов, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений резко снижается при переходе от растворов к клетке и организму.
ИЗМЕНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГОПОТЕНЦИАЛА
Существует предположение о возможности связи защитного действия протекторов со сдвигом в окислительно-восстановительном потенциале (£А) клеток. Г.В. Сумаруковым, в частности, обнаружено снижение величины Eh при применении эффективных протекторов и гипоксии. В нашей лаборатории, однако, было показано, что связь между величиной Eh и защитным эффектом
379
Рис. 19.3. Изменение окислительно-восстановительного потенциала (ЕЛ) в подкожной клетчатке мышей при внутрибрюшинном введении гаммафоса (с) и гугимина (б) в различных дозах:
/—88 мг/кг, 2—175 мг/кг, 3 — 350 мг/кг, 4— 220 мг/кг; стрелкой обозначен момент облучения
лишь качественная, а в ряде случаев она вообще отсутствует. Например, степень снижения Eh зависит от дозы протектора — гаммафоса (рис. 19.3), т. е. совпадает с данными об усилении радиоза- щитного эффекта при увеличении количества вводимого препарата [Юхас Дж., 1970; Выгодская А.Л., 1975]. Однако анализ кривых (рис. 19.3, а) и сопоставление их с зависимостью время — эффект для гаммафоса привели к выводу об отсутствии корреляции между Eh и противолучевым эффектом.
Действительно, радиозащитный эффект гаммафоса при дозе 350 мг/кг, оцениваемый по выживаемости мышей, максимален через 15 мин (ФИД = 2,7) и остается практически на этом уровне довольно долго (через 75 мин ФИД = 2,5), а значение Eh за то же время значительно снижается (кривая 3), что, казалось бы, должно сопровождаться усилением защиты. С другой стороны, при минимальной дозе препарата (88 мг/кг) слабый защитный эффект (ФИД < 1,2) обнаруживается при 15-минутном интервале и отсутствует через 30 мин, тогда как в эти сроки значения Eh одинаковы (кривая 7).
На рис. 19.3, б представлены изменения Eh под влиянием контрольного (неэффективного в радиозащитном отношении) препарата — гугимина. Видно, что Eh под влиянием гугимина снижается до значений, при которых радиозащитный эффект гаммафоса сильно выражен (см. на рис. 19.3, а, кривая 3).
Любопытно, что Д. Кейтером с соавторами было показано снижение Eh даже под влиянием радиосенсибилизатора — синкавита. 380
Таким образом, гипотеза о связи радиозащитного эффекта с состоянием окислительно-восстановительного потенциала экспериментально не подтверждается.
СУЛЬФГИДРИЛЬНАЯ ГИПОТЕЗА
В большом числе экспериментальных исследований установлено, что наблюдаемое под влиянием протекторов повышение радиоустойчивости объектов сопровождается увеличением содержания в них эндогенных сульфгидрильных (тиольных) групп. Это происходит не только при применении тиоловых (содержащих в своей структуре сульфгидрильные группы) протекторов, но и при введении индолилалкиламинов и даже при создании газовой гипоксии. Следовательно, речь идет не о привнесенных тиоловых группах, а о повышении их эндогенного содержания, что дало основание рассматривать сульфгидрильные группы как естественные протекторы, уровень которых, с точки зрения приверженцев данной точки зрения, в значительной степени определяет также и различия в природной радиочувствительности.
В пользу данной точки зрения, которую многие годы последовательно развивал Э.Я. Граевский, свидетельствуют многочисленные факты корреляции содержания тиолов и радиочувствительности, полученные автором и его сотрудниками в экспериментах на изолированных клетках, клетках костного мозга и селезенки, опухолевых клетках, нормальных клетках на разных стадиях цикла, а также на других объектах, различающихся по степени природной радиочувствительности.
Доказательством справедливости сульфгидрильной гипотезы ее сторонники считали также возможность уменьшения устойчивости клетки к облучению при снижении содержания в ней эндогенных тиолов с помощью различных химических соединений. В серии работ Л. Ревеса и М.М. Константиновой было показано, что объем реализации радиозащитного эффекта ряда протекторов и аноксии определяется содержанием SH-групп эндогенного глутатиона, причем не только во время, но и после облучения.
Уязвимым местом сульфгидрильной гипотезы является незначительное (10—15%) повышение содержания эндогенных SH-rpynn, что несопоставимо с необходимостью введения значительно больших количеств экзогенных тиолов для достижения заметного радиозащитного эффекта.
ГИПОТЕЗА БИОХИМИЧЕСКОГО ШОКА
В 1964 г. 3. Бак и П. Александер попытались выявить общность механизма защитного действия для широкого круга серосодержащих протекторов. Они обратили внимание на связь защитного эффекта тиолов с изменениями, происходящими под их действием в клетках. Оказалось, что различные морфологические и функциональные сдвиги коррелируют по времени и степени выраженности с защитным эффектом. К числу таких сдвигов относятся: ингибирование метаболических реакций, исчезновение крист в митохондриях и размытие матрикса, нарушение проницаемости плазматических мембран и другие нарушения. Комплекс этих изменений, получивших название «биохимического шока», наблюдался только для тех SH-соединений и их концентраций, которые оказывают эффективную защиту.
В дальнейшем было показано, что «биохимический шок» возникает не только при защите клеток SH-соединениями, но и при действии других радиозащитных агентов, что дало основание предположить, что его связь с модификацией повреждения клеток не случайна.
Е.Ф. Романцевым (1971) было показано, что радиопротекторы способны переводить различные биохимические системы в состояние повышенной радиорезистентности. К числу таких систем, являющихся, по его мнению, наиболее радиочувствительными, относятся синтез ДНК, ядерное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование в митохондриях.
ЗАЩИТА КАК ПРОЯВЛЕНИЕ НЕСПЕЦИФИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИИ УВЕЛИЧЕНИЯ ОБЪЕМА РЕПАРАЦИИ
Не затрагивая вопроса о механизме биохимического шока, 3. Бак приписал повышение радиорезистентности клеток увеличению длительности периода репарации в связи с общим замедлением клеточного метаболизма.
Биофизический механизм этого явления, приводящий к увеличению объема ферментативной репарации потенциальных повреждений клеток, в дальнейшем был предложен Л.Х. Эйдусом (1977). Согласно его представлениям, биохимический шок, наблюдающийся при введении радиопротекторов, применении гипоксии и других агентов, — лишь частный случай общей неспецифической реакции клеток на действие любых повреждающих агентов, подробно описанной еще в 1940 г. Д.Г. Насоновым и В.Я. Александровым. Суть такого механизма состоит в следую- 382
щем. В клетке содержится много низкомолекулярных соединений, которые неравномерно распределены в различных отсеках эндоплазматического ретикулума и органоидах. Их компартмен- тализация поддерживается системой внутриклеточных мембран, противодействующих диффузионному выравниванию концентрации этих веществ в клетке. В норме диффузия уравновешивается в каждой точке мембранным переносом против концентрационных градиентов.
Модифицирующие агенты по-разному влияют на диффузию и активный транспорт, равновесие сдвигается, нарушается компар- тментализация низкомолекулярных соединений, и они распространяются по всей клетке, нивелируя различия в своих локальных концентрациях. В результате ингибируются ферментативные процессы из-за уменьшения конформационной подвижности белковых молекул. Это проявляется в различных показателях неспецифической реакции — изменении скоростей ферментативных реакций, проницаемости, прокрашиваемости витальными красителями и др.
Связь этой неспецифической реакции с модификацией повреждения объясняется следующим образом. Радиационное поражение уникальных структур, вызывающее репродуктивную гибель клеток, возникает вначале как потенциальное, которое в дальнейшем либо реализуется, либо репарируется. Конечный исход определяется результатом конкуренции этих двух процессов, идущих одновременно. Если скорости их сопоставимы, то конечный эффект будет очень чувствителен ко всем воздействиям, по-разному влияющим на скорости этих процессов. При развитии неспецифической реакции замедляется скорость как реализации, так и репарации потенциальных повреждений, однако в разной степени, в зависимости от природы действующего агента и условий его применения. В случае большего торможения процессов реализации доля репарируемых повреждений увеличивается (защита). В противоположном случае повреждение усиливается.
Таким образом, ослабление и усиление радиационного повреждения клеток не просто сводятся к физико-химическим процессам, а связаны с метаболическими изменениями, зависящими, в свою очередь, от многих генетических и биологических особенностей клеток и факторов среды.
В последние годы были получены многочисленные данные, свидетельствующие о зависимости эффективности противолучевой защиты от функционирования ферментативных систем пострадиационной репарации. В работах такого рода выявлена боль-
383
шая эффективность протекторов, как и гипоксии, для клеток, способных к восстановлению, по сравнению со степенью защиты клеток-мутантов, репарация у которых снижена или отсутствует. В частности, в работах С.Е. Бреслера, Л.А. Носкина, В.Л. Калинина и ВТ. Петина было показано, что 2-меркаптоэтиламин эффективно защищает от излучения только те штаммы бактериальных и дрожжевых клеток, в которых не повреждены системы репарации, в то время как в мутантных по репарации клетках защита ослаблена или отсутствует.
ЗАЩИТА И КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ
Универсальность кислородного эффекта (КЭ) (см. гл. 9) делает понятным стремление многих исследователей так или иначе связать с ним механизм действия большинства протекторов, тем более что ФИД при защите эффективными протекторами и максимальная величина кислородного эффекта близки друг к другу.
Показано, что все протекторы из класса индолилалкиламинов, а также другие, обладающие радиозащитным эффектом, биологически активные соединения (адреналин, гистамин, р-фенилэти- ламин, морфин, героин, окись углерода, нитрит натрия, унитиол, димеркаптопропионовая кислота) вызывают определяемое методом полярографии отчетливое снижение напряжения кислорода в тканях, в частности в селезенке, по времени соответствующее их максимальному защитному эффекту. Для перечисленных аминов это свойство коррелирует с их сосудосуживающим действием; в основе гипоксии, вызываемой другими веществами, лежат иные механизмы: образование метгемоглобина (нитрит натрия, па- раэминопропиофенон) или карбоксигемоглобина (СО), ингибирование дыхательных ферментов (цианиды), угнетение дыхательного центра (морфин, героин) и т. д.
Подтверждением фармакологической природы действия указанных соединений и ее связи с кислородным эффектом служат данные о возможности ослабления или отмены защиты их антагонистами и антиметаболитами, а также повышением давления кислорода. Поданным М.М. Константиновой (1970), противолучевой эффект гипотермии у гомойотермных животных также определяется гипоксическим механизмом, так как защита при охлаждении проявляется лишь при снижении напряжения кислорода в тканях ниже 50% от исходного уровня, т.е. в условиях, как будто бы исключающих его сосудосуживающее действие. Однако эти работы ни в какой степени не опровергают значения фармакологиче- 384
ской гипоксии как основного фактора в механизме радиозащит- ного действия мексамина в условиях организма. Во-первых, защитный эффект мексамина in vitro проявляется в значительно меньшей степени, чем in vivo, и при очень высоких концентрациях, не сопоставимых с возникающими в критических системах даже при условии мгновенного попадания в них препарата. На самом деле на доставку любого соединения в критические органы необходимо определенное время, а в случае мексамина оно увеличивается из-за вызываемого им сосудосуживающего эффекта. Во-вторых, как справедливо отмечают Л.Х. Эйдус и Ю.Н. Коры- стов (1984), и клеточный компонент действия индолилалкилами- нов может иметь гипоксическую природу, если учесть данные о вызываемом этими соединениями повышении интенсивности дыхания, обусловливающем снижение тканевого напряжения кислорода.
Таким образом, механизм защитного действия большого числа протекторов, включая все индолилалкиламины, в организме в той или иной степени связан с КЭ.
В отношении аминотиолов данные противоречивы. В большинстве они сводятся к тому, что повышение давления кислорода в среде, сопровождающееся увеличением его тканевого напряжения, измеряемого с помощью полярографии, снижает (но не устраняет) радиозащитный эффект тиолсодержащих радиопротекторов.
Полярографические исследования, однако, не дают оснований ни для категорического отрицания связи механизма защитного действия тиоловых соединений с КЭ, ни для абсолютизации зависимости от него индолилалкиламинов. Использованная в этих работах техника полярографического анализа отражает лишь суммарный кислородный баланс в ткани и не позволяет измерить напряжение кислорода непосредственно в клетках, а тем более получить сведения относительно оксигенотопографии внутри клеток, которая имеет решающее значение в модификации радиочувствительности.
Как показали в последнее время результаты экспериментально-теоретического анализа связи защитного действия меркапто- этиламина с КЭ, проведенного Ю.Н. Корыстовым, в опытах in vitro защита обусловлена в основном аноксией, вызванной окислением SH-групп в растворе цистеамина. Однако в условиях организма этот механизм не может иметь практического значения из-за несоизмеримо больших концентраций кислорода, в избытке подводимого с током крови, по сравнению с его ограниченным со-
держанием в среде in vitro. Подтверждением этому могут служить эксперименты Д. Джемисон и Г. Ванден Бренка, в которых флюоресцентный анализ внутриклеточных пиридиннуклеотидов (дающий представление о содержании там кислорода) показал отсутствие связи защитного действия тиоловых протекторов в организме с изменением внутриклеточного напряжения кислорода. Таким образом, связь радиозащитного эффекта аминотиолов с КЭ остается не доказанной.
ОБЩИЙ МЕХАНИЗМ МОДИФИКАЦИИ РЕПРОДУКТИВНОЙГИБЕЛИ КЛЕТОК
Одновременное существование многих теоретических представлений о механизмах реализации радиозащитного эффекта свидетельствует, с одной стороны, о том, что они отражают лишь его отдельные стороны, а с другой — является следствием отсутствия единой теории биологического действия ионизирующих излучений (см. гл. 11).
В связи с этим на протяжении последних десятилетий XX в. неоднократно предпринимались попытки схематизации общего механизма противолучевой защиты, в том числе и обусловленной КЭ.
Согласно представлениям Л.Х. Эйдуса и Ю.Н. Корыстова (1984), в клеточных мишенях (М) возникают два вида потенциальных повреждений: чувствительные (Мо) и нечувствительные (Мн) к модифицирующему действию кислорода (рис. 19.4).
За первые из них кислород конкурируете тиолами (SH-), находящимися около мишеней. Тиолы могут оказывать на Мо двоякое действие: элиминировать повреждение, восстановив исходное состояние мишени М (модификация с изменением количества по-
Рис. 19.4. Схема общего механизма радиационого поражения клеток и его модификации (по Л.Х. Эйдусу и Ю.Н.Корыстову, 1984)
вреждений), либо перевести в состояние Мн, из которого пораженная молекула может с вероятностью (р вернуться в исходное состояние под действием ферментов репарации (ФР), обеспечивая выживаемость клетки. С вероятностью 1—ф повреждение может превратиться в потенциально летальное (ПЛ), которое, в свою очередь, с вероятностью 5 также может репарироваться ферментативными системами, обеспечивая выживаемость клетки, или с вероятностью 1—5, приводить клетку к гибели.
Под действием кислорода образуется промежуточный продукт МО2, который репарируется с вероятностью у или превращается в потенциально летальное с вероятностью 1—у. Судьба ПЛ рассмотрена выше.
Нечувствительные к действию кислорода повреждения Мн могут подвергаться ферментативной репарации с вероятностью X или приводить клетку к гибели с вероятностью 1— X.
Под потенциально летальными поражениями в данном контексте понимаются поражения, возникающие в ходе ферментативной репарации первичных повреждений.
Наблюдаемая на опыте зависимость величины кислородного эффекта (ККУ, т в уравнении КЭ, приведенном в гл. 9) от генотипа микроорганизмов (например, меньшая величина ККУ у мутантов по сравнению с клетками дикого типа) обусловлена разной эффективностью репарации кислородчувствительных и нечувствительных повреждений. Дефектность клеток по репарации кисло- родзависимых повреждений, обозначенной здесь индексом у, увеличивает ККУ, в то время как уменьшение эффективности ферментативной репарации (X) проявляется в уменьшении величины КЭ. ККУ зависит лишь от эффективности процессов, репарирующих повреждения, которые возникают на физико-химическом этапе поражения (МО2, и Мн), в то время как более поздние процессы репарации вторичных повреждений (ПЛ) на величине ККУ не сказываются.
Константа К в уравнении КЭ не зависит от ферментативных процессов, поскольку она отражает конкуренцию двух физико-химических процессов взаимодействия первичных кислородчувствительных повреждений (Мо) с кислородом и тиолами:
/T=^-[SH],
где К^ К2 — константы скорости реакции этих веществ с повреждениями Мо, a [SH] — концентрация свободных тиолов, в основном глутатиона, вблизи клеточной мишени.
Как видно, рассмотрение КЭ как чисто физико-химического феномена упрощает представление об истинной природе этого явления, хотя он и включает в себя быстрые физико-химические реакции, осуществляющиеся в момент облучения. Последовательно с ними идут различные ферментативные репарационные процессы, также участвующие в определении величины КЭ.
Приведенная схема не только объясняет всю совокупность известных к настоящему времени экспериментальных данных по КЭ, но и описывает феноменологию основных этапов поражения, ведущего к гибели клеток, а также факторы, определяющие возможности ее модификации.
В описанном механизме два звена в явной форме связаны с химической модификацией первичного повреждения. Это их взаимодействие с тиолами эндо- или экзогенного происхождения и фармакологическая регуляция концентрации кислорода. Однако при использовании различных радиомодификаторов химической и физической природы затрагиваются и другие звенья этого механизма: концентрация небелковых SH-групп и кислорода вблизи клеточной мишени и эффективность ферментативной репарации. Действительно, соотношение тиолов и кислорода в клетках в опытах in vitro может изменяться подавлением дыхания или его активацией, усилением процессов микросомального окисления, восстановлением кислорода в среде (тиолы, нитрит натрия и др.), введением экзогенных SH-групп, тиолопривными (блокирующими тиоловые группы) веществами и т. д.
In vivo тиолы не способны уменьшить содержание кислорода из-за его поступления в организм при внешнем дыхании. В то же время изменение напряжения кислорода легко осуществляется при вдыхании гипер- или гипоксических смесей, применении ин- долилалкиламинов и других соединений, приводящих к циркуляторной гипоксии или влияющих на интенсивность тканевого дыхания. Гипоксические клетки в организме и опухолях могут быть сенсибилизированы электронакцепторными соединениями (см. гл. 21), заменяющими кислород на физико-химическом этапе модификации. Внутриклеточная концентрация тиолов может быть также изменена в обе стороны введением меркаптоалкиламинов или соединений, блокирующих SH-группы.
Что же касается репаративного звена схемы, то оно работает как in vitro, так и in vivo, ибо ферментативная репарация всегда су- 388
Рис. 19.5. Восстановление субле-тальных повреждений в зависимо-сти от концентрации кислорода (вчастях на миллион — part permillion — ppm) при пострадиацион-ной инкубации (клетки водорослиChlamidomonas, облученные в дозе240 Гр в азоте + 150 Гр на возду-хе) (по П. Брайанту, 1970):
Рис. 19.6. Восстановление потенциальных деталей у дрожжей, облученных на воздухе, в зависимости от пострадиационных условий (по П. Субрахманяму, 1979):Рис. 19.6. Восстановление потенциальных деталей у дрожжей, облученных на воздухе, в зависимости от пострадиационных условий (по П. Субрахманяму, 1979):1 — 4 — содержание кислорода в газовойсмеси, продуваемой в перерыве междуфракциями дозы; / — 10 ppm,2 — 200 ppm, 3 — 500 ppm,4 — 1000 ppm, 5—воздух
Рис. 19.6. Восстановление потенциальных деталей у дрожжей, облученных на воздухе, в зависимости от пострадиационных условий (по П. Субрахманяму, 1979):
Рис. 19.6. Восстановление потенциальных деталей у дрожжей, облученных на воздухе, в зависимости от пострадиационных условий (по П. Субрахманяму, 1979):
/ — посев сразу после облучения, 2 —анаэробная инкубация, 3 — аэробная инкубация
щественна при действии любых химических модифицирующих агентов. Не менее важно участие кислорода и в пострадиационной репарации потенциальных повреждений, поскольку для их восстановления также необходим кислород. В частности, показано, что ни сублетали (рис. 19.5), ни потенциальные летали (рис. 19.6) в аноксии не репарируются.
В рассмотренной схеме кислород участвует в модификации радиочувствительности на первом физико-химическом этапе взаимодействия с первичными повреждениями клеточной мишени. При наличии кислорода в среде после облучения репарация идет одинаково, независимо от того, облучались клетки в азоте или кислороде. Таким образом, если кислород во время облучения усиливает поражение, то после облучения он защищает, ибо необходим для ферментативной репарации.
Защита организма как следствие ослабленияпоражения критических систем
Анализ механизма противолучевой защиты может быть произведен и на уровне критических систем организма, резистентность которых повышается под влиянием любого радиозащитного агента. Так как в диапазоне доз до 10 Гр исход острого лучевого синдрома определяется системой кроветворения, понятны стремления исследователей оценить состояние именно этой системы при облучении организма в условиях защиты.
Наглядные доказательства взаимосвязи между повышением радиорезистентности организма и защитой кроветворения были получены С. П. Ярмоненко в ранних (1960) экспериментах при тотальном облучении животных, которым на время облучения накладывали на задние конечности кровоостанавливающий жгут, создавая тем самым локальную аноксию в участке костного мозга.
При рентгеновском облучении мышей в абсолютно летальной дозе наложение жгута обусловило ко времени гибели всех контрольных животных (12-е сут) выживание 75% опытных. К 30-м сут после облучения количество выживших животных снижалось, тем не менее и к этому сроку оно составляло в среднем 33%. Аналогичные данные были получены и в опытах на крысах и собаках (табл. 19.1).
Таблица 19.1. Влияние местной аноксии костного мозга на исход лучевой болезни животных
Вид животного
Доза излучения, Гр
Условия эксперимента
Количество облученных
Количество выживших животных на
Выживаемость, %, па
Средняя про- должитель-
животных
12-е сут
30-е сут
12-е сут
30-е сут
ность жизни, сут
Мыши
7
Контроль
65
4
0
6,1 ± 0,9
0
8,4
Жгут на одно бедро
98
72
32
75,3 ±4,4
32,6 ±4,7
141
Стрептомицин
70
20
6
28,6 ± 5,3
8,6 ± 2,0
11,5
Жгут + стрептомицин
82
68
54
83,0 ±4,0
65,8 ± 5,6
12,6
Крысы
8
Контроль
90
37
6
40,7 ± 5,1
6,6 ± 2,9
11,6
Жгут на одно бедро
66
36
16
54,3 ± 6,2
24,6 ± 5,3
9,8
Жгут на два бедра
84
53
26
61,6 ± 5,3
30,7 ± 5,0
11,9
Собаки
4
Контроль
13
Выжило к 45-м сут
1
Опыт
13
То же
5
ЧасыСутки
Время после облучения
Рис. 19.7. Влияние местной аноксии на дегенерацию клеток костного мозга мышей, подвергнутых рентгеновскому облучению в дозе 7 Гр:
/ — опыт (перевязанная конечность), 2—контроль
Из табл. 19.1 видно также, что гибель животных в поздние сроки, очевидно, связана с инфекционными осложнениями, так как дополнительное применение стрептомицина в течение первых 20 сут вызывало повышение выживаемости к 30-м сут в среднем на 33%, применение только стрептомицина обусловило выживание лишь 8,6% мышей.
Цитологический анализ показал, что в ишемическом участке костного мозга уменьшается число клеток, дегенерирующих в пер-
Рис. 19.8. Влияние местной аноксии на митотическую активность костного мозга мышей, подвергнутых рентгеновскому облучению в дозе 7 Гр:Рис. 19.8. Влияние местной аноксии на митотическую активность костного мозга мышей, подвергнутых рентгеновскому облучению в дозе 7 Гр:Рис. 19.9. Влияние местной аноксии на динамику клеток костного мозга с аберрациями хромосом при облучении мышей в дозе 7 Гр:1 — опыт, 2 — контрольРис. 19.9. Влияние местной аноксии на динамику клеток костного мозга с аберрациями хромосом при облучении мышей в дозе 7 Гр:1 — опыт, 2 — контроль
Рис. 19.8. Влияние местной аноксии на митотическую активность костного мозга мышей, подвергнутых рентгеновскому облучению в дозе 7 Гр:
Рис. 19.8. Влияние местной аноксии на митотическую активность костного мозга мышей, подвергнутых рентгеновскому облучению в дозе 7 Гр:
Рис. 19.9. Влияние местной аноксии на динамику клеток костного мозга с аберрациями хромосом при облучении мышей в дозе 7 Гр:
1 — опыт, 2 — контроль
Рис. 19.9. Влияние местной аноксии на динамику клеток костного мозга с аберрациями хромосом при облучении мышей в дозе 7 Гр:
1 — опыт, 2 — контроль
/ — опыт, 2 — контроль
Рис. 19.10. Влияние АЭТ на количество дегенерирующих клеток в костном мозге мышей при разных дозах излучения:
/ — контроль, 2 — опыт
вые часы после облучения (рис. 19.7), ослабляется степень радиационной задержки клеточного деления (рис. 19.8) и уменьшается доля клеток с аберрациями хромосом (рис. 19.9).
Снижение числа дегенерирующих и аберрантных клеток, а также ослабление степени ингибирования митотической активности вызывают и радиопротекторы, что может быть продемонстрировано на примере АЭТ (рис. 19.10—19.12). '
Рис. 19.11. Влияние АЭТ на динамику клеток с хромосомными аберрациями в костном мозге облученных мышей:
/ — контроль, 2 — опыт
Таким образом, под влиянием защитных агентов снижается степень проявления всех типов первичного лучевого поражения клеток критических органов, а также интенсифицируются процессы клеточного деления, что, в свою очередь, способствует увеличению у защищенных животных клеточного фонда этих органов — источника их последующей регенерации.
Действительно, общее число ядросодержащих клеток костного мозга оказывается у защищенных животных значительно большим, чем в контроле (рис. 19.13), что обусловливает начало восстановления клеточной популяции с более высокого уровня (рис. 19.14). Размер образующегося фонда жизнеспособных кроветвор- 394
Время после облучения, ч
Рис. 19.12. Влияние АЭТ на митотическую активность в костном мозге облученных мышей:
7 —опыт, 2—контроль (облучение без АЭТ)
Дни после облучения
Рис. 19.13. Влияние АЭТ на изменение общего числа кариоцитов в костном мозге мышей при рентгеновском облучении в разных дозах:
7(7); 4(2); 2,7(2) Гр; 4, 5, 6 —то же, но с предварительным применением АЭТ
ных клеток и определяет степень защиты тем или иным защитным агентом (рис. 19.15).
Многочисленные данные о снижении начальных лучевых повреждений под действием различных протекторов получены на разных объектах: культуре клеток животных и человека, клетках кишечника и роговицы in vivo, растениях и др., что свидетельствует
Рис. 19.14. Изменение количества клеток костного мозга мышей после общего облучения в дозах 2,7 (7), 4 (2) и 7 (J) Гр под влиянием АЭТ: темными символами обозначены опытные данные, светлыми — контрольные
Рис. 19.15. Общее количество клеток костного мозга в бедре мыши на 3-и сутки после облучения в разных дозах под влиянием отдельных протекторов и их комплекса:
7—контроль, 2—АЭТ, 3 — мексамин; верхняя кривая — АЭТ + мексамин
об универсальности данного явления для всех уровней биологической организации.
Все это позволяет сделать заключение, что применение защитных агентов у животных снижает выраженность всех типов клеточных проявлений поражения костного мозга, тем самым как бы переводит его на уровень, характерный для воздействия меньшей 396
дозы излучения, с соответствующим повышением выживаемости животных.
Это заключение не противоречит приведенным выше взглядам на молекулярный механизм защиты, постулирующий ведущую роль репарационных систем, так как следствием их эффективности и является регистрируемое морфологическими методами снижение доли клеток, несущих типичные радиационные поражения.
Обсуждая роль ослабления отдельных клеточных реакций в ускорении восстановления костного мозга под влиянием радиоза- щитных агентов, следует в полном соответствии с механизмами лучевого поражения кроветворения (см. гл. 12) указать, что оно связано со снижением как числа погибших клеток, так и степени торможения митозов. При этом в кровеносное русло защищенных животных попадает большее количество жизнеспособных клеток, что ускоряет нормализацию уровня клеточного состава крови и его интенсивное восполнение потомками жизнеспособных клеток вследствие разблокирования митозов.
С этих позиций усиление защитного эффекта при комбинированном применении протекторов может быть объяснено не только упоминавшимся выше разным механизмом их действия, но и дифференцированной защитой отдельных критических систем.
И действительно, вернувшись к результатам соответствующих опытов (см. рис. 19.2), в которых изучалась эффективность протекторов на мышах, подвергнутых рентгеновскому облучению в дозах 7— 12 Гр, вызывающему не только костно-мозговой, но и кишечный синдромы, видно, что костный мозг хорошо защищается и АЭТ и мексамином, а при поражении кишечника защитное действие мексамина значительно меньше. Таким образом, в синергизме защитного эффекта данного комплекса протекторов наряду с предполагаемым разным механизмом действия определенное значение имеет и дифференцированная системная защита: АЭТ в равной степени защищает костный мозг и кишечник, а мекса- мин — только костный мозг. Благодаря этому многие животные, пережившие критический срок кишечной гибели (результат защиты АЭТ), переносят и поражение костного мозга, которое в условиях комплексной защиты оказывается существенно меньшим, чем при раздельном применении протекторов. Реальность опосредованного усиления защиты органов кроветворения подтверждается также экспериментами М.Н. Янушевской и Н.Ф. Варакиной, обнаруживших благоприятное влияние экранирования кишечника на восстановление гемопоэза.
При анализе средней продолжительности жизни контрольных (незащищенных) животных оказалось, что доза 9 Гр — рубеж между «костномозговой» и «кишечной» гибелью. Как видно из табл. 19.2, при увеличении дозы до 10—12 Гр мыши погибают от кишечного синдрома при средней продолжительности жизни около 5 сут. Защитный эффект АЭТ проявляется при всех испытанных дозах излучения: до 11 Гр за счет повышения выживаемости, а при 12 Гр — в виде существенного увеличения продолжительности жизни. Эффективность применения мексамина после облучения в дозе 9 Гр резко падает, а после 11 Гр сроки гибели подопытных и контрольных мышей совпадают.
Таблица 19.2. Влияние протекторов на выживаемость и продолжительность жизни мышей при разных дозах рентгеновского излучения (по С.П. Ярмоненко, 1965)
Доза, Гр
Контроль
Протекторы
Количество подопытных мышей
Выживаемость к 30-м сут, %
Средняя продолжительность жизни, %
АЭТ, Змг
Количество мышей в опыте
Выживаемость к 30-м сут, %
Средняя продолжительность жизни, с
7
40
5
14,6
40
90
—
8
20
0
9,9
20
90
—
9
30
0
6,4
30
50
14,9
10
20
0
5,3
20
60
14,6
11
20
0
4,7
20
25
7,1
12
20
0
4,6
20
0
8,2
Продолжение табл. 19.2
Доза, Гр
Протекторы
Мексамин, 1,5 мг
АЭТ,1 мг + мексамин, 1,5 мг
Количество мышей в опыте
Выживаемость к 30-м сут, %
Средняя продолжительность жизни, сут
Количество мышей в опыте
Выживаемость к 30-м сут, %
Средняя продолжительность жизни, сут
7
40
90
—
—
—
—
8
20
95
—
20
100
—
9
30
73
11,5
28
96
—
10
20
10
8,1
29
85
—
11
20
0
5,2
28
59
12,6
12
20
0
4,0
20
20
6,7
Эксперименты Д. Мэзена показали, что с увеличением в составе рецептуры числа ингредиентов наблюдается выраженное усиление защитного эффекта. Так, при использовании АЭТ, трехком- 398
рис. 19.16. 30-дневная выживаемость мышей, защищенных АЭТ (7); глутамином, АЭТ и серотонином (2); пятикомпонентной рецептурой — глутамин, АЭТ,серотонин, цистеин и МЭА (3) и той же рецептурой с последующей изологичной трансплантацией костного мозга (4) по сравнению с контролем (5) ФИД составляет, соответственно 1,7; 2,3, 2,8 и 3,4.
понентной рецептуры (АЭТ, глутатион и серотонин), пятикомпонентной (АЭТ, глутатион, серотонин, цистеин и МЭА) или той же пятикомпонентной рецептуры и последующей изологичной пересадки костного мозга ФИД составляет соответственно 1,7; 2,3; 2,8 и 3,4 (рис. 19.16).
Ограничения фармакохимической защиты,связанные с условиями облучения
Фармакохимическая защита организма максимально выражена при однократном остром воздействии редкоионизирующими видами радиации. Ее эффективность, однако, существенно изменяется в зависимости от многих условий облучения, и это обстоятельство накладывает значительные ограничения на сферу использования биологических радиозащитных средств.
Прежде всего защитное действие всех протекторов, а также гипоксии (об этом упоминалось) падает с ростом ЛПЭ. Поэтому эффективность защиты снижается при облучении тяжелыми заряженными частицами и нейтронами.
Эффективность радиопротекторов заметно снижается при фракционированном облучении и особенно резко — при хроническом облучении. Это связано с необходимостью многократного введения протекторов в организм для поддержания во время облучения в достаточной концентрации либо их самих, либо вызываемого ими уровня ответственных за реализацию защитного эффекта метаболических изменений. Кроме того, это осложняется ток-
сичностью протекторов и возможным развитием тахифилаксии (привыкания).
Ослабление защитного эффекта при фракционированном радиационном воздействии объясняется и тем, что на уровне организма защита максимально проявляется при высоких дозах облучения и снижается по мере их уменьшения. Предполагается, что при малых дозах усиливается роль a-компоненты лучевого поражения, которая плохо модифицируется и плохо репарируется. Как было изложено в гл. 7, а-компонента — это крупные поражения молекул ДНК, а р-компонента — поражения, возникающие из-за взаимодействия более мелких, нелегальных. Альфа поражения плохо модифицируются, поэтому и защитный эффект радиопротекторов снижается в области малых доз, в том числе при переходе от однократного к фракционированному воздействию. Как будет видно из гл. 21, с этим же связаны трудности использования модификаторов при фракционированном облучении в онкологической клинике.
Защита от отдаленных последствий облучения
По сравнению с большим числом работ, посвященных ослаблению протекторами непосредственныхдетерминированных проявлений острого радиационного поражения организма, а также его отдельных органов и систем, значительно менее изучена возможность защиты от отдаленных эффектов облучения. К тому же результаты этих работ противоречивы. В одних — защитный эффект не обнаружен, в других — описано заметное ослабление многих отдаленных последствий, в третьих — отмечено даже усиление канцерогенного действия радиации и, наконец, в четвертых — получены данные об избирательности модифицирующего эффекта: разные протекторы и в разной степени ослабляли определенные виды отдаленных последствий, не оказывая влияния на другие.
Анализ соответствующей литературы позволяет сделать общее заключение о том, что защита от отдаленных последствий облучения выражена в значительно меньшей степени, чем от острых эффектов. В особенности это относится к тиоловым протекторам, которые, уменьшая частоту лейкозов и лимфом, а также степень поседения волосяного покрова, заметно меньше влияют на проявление остальных отдаленных последствий. Защитный эффект протекторов, действующих по гипоксическому механизму, как 400
Рис. 19.17. Мыши, выжившие после протонного облучения в дозе 8 Гр в условиях защиты мексамином, и контрольные, незащищенные животные, подвергнутые облучению в дозе 7 Гр (указаны стрелками): наблюдение на 850-е сутки после облучения
будто бы более универсален, однако литературные данные по этому вопросу наиболее скудны.
В лаборатории авторов был четко установлен радиозащитный эффект мексамина на мышах Fx^C57Blx СВА\ подвергнутых однократному тотальному облучению ускоренными протонами с энергией 660 МэВ в дозах 6—9 Гр, по четырем показателям: общей смертности в течение 490 сут (начало гибели в биологическом контроле), сокращению продолжительности жизни и уменьшению прироста массы за этот же период, а также по степени поседения волосяного покрова. В частности, к 850-м сут после облучения поседение защищенных мышей, выживших после облучения в дозе 8 Гр, было выражено значительно меньше, чем у мышей, облученных в дозе 7 Гр без защиты (рис. 19.17). В биологическом контроле поседение шерсти не наступало до конца естественной жизни животных, что, кстати, является дополнительным доказательством различия процессов естественного и «радиационного» старения (см. гл. 17).
В табл. 19.3 приведены результаты экспериментов по оценке влияния обеих групп протекторов на повреждение хромосомного аппарата в клетках активно пролиферирующих и стабильных тканей. Видно, что тиоловые протекторы слабее влияют на возникно- 26 - 3724 401
вение аберраций хромосом в покоящихся клетках печени, чем в делящихся клетках костного мозга. При этом защитное действие мексамина на клетки костного мозга и печени примерно одинаково.
Таблица 19.3. Влияние протекторов на процент клеток с индуцированными облучением аберрациями хромосом в костном мозге мышей после облучения в дозе 7 Гр и в печени крыс после облучения в дозе 3 Гр
Протектор
Клетки с хромосомными абберациями в первом митозе, %
Костный мозг
Печень
МЭА
62 ± 17
—
АЭТ
61 ±3
44 ±4
Цистафос
—
37 ±2
Мексамин
50 ±3
26 ±2
Физиологический раствор (контроль)
89 ± 1
49 ±3
Однако равнозначна ли для развития отдаленной лучевой патологии одинаковая степень защиты активно и слабо пролиферирующих тканей?
Очевидно, нет. В активно пролиферирующих органах клетки, несущие летальные хромосомные перестройки, погибают при первых же митозах и быстро элиминируются из популяции, лишь какая-то доля камбиальных клеток может содержать рецессивные повреждения, являясь поставщиком неполноценных потомков. Кроме того, большое число клеток активно пролиферирующих органов погибает в интерфазе и также заменяется новыми, неповрежденными клетками. В неделящихся и дифференцированных тканях такой формы гибели не наблюдается.
Следовательно, в большинстве дифференцированных соматических тканей, даже в случае частичной защиты, сохраняется несравненно большее количество клеток с патологически измененным хромосомным комплексом. Вероятно, не случайно защита от отдаленных последствий наиболее четко показана в отношении лейкозов, лимфом, эпиляции и поседения волос, т. е. активно пролиферирующих тканей. Менее четко выраженная защита от возникновения других опухолей и преждевременного старения может быть связана с незащищаемой и необратимой компонентой поражения в большинстве соматических тканей организма.
Обсуждая сохранение множественных соматических мутаций, следует иметь в виду еще ряд серьезных нарушений в облученном организме, от которых протекторы также не защищают или защищают слабо. Часть из них тоже является следствием рецессивных 402
мутационных событий, другие могут иметь и эпигеномную природу (см. гл. 17). К последним нарушениям относятся отдаленные иммунологические последствия облучения (снижение естественного иммунитета и иммуногенеза), нормализация которых происходит лишь через большие промежутки времени, что также может сказаться на состоянии организма в целом, в том числе и на продолжительности жизни. На основании данных о том, что при введении костного мозга, облученного in vitro в присутствии АЭТ, выживало 90—100 % облученных реципиентов без увеличения числа вторичных заболеваний (иммунологической природы), было высказано предположение о преимущественной защите гемопоэтических клеток по сравнению с иммунокомпетентными. В последующем эта точка зрения нашла подтверждение в экспериментах Т. Кудковича с успешной трансплантацией гомологичных клеток печени животных, предварительно защищенных АЭТ. Этим данным, однако, можно дать и другую интерпретацию: возможно, поражение рассматриваемых систем наступает уже при небольших дозах, в связи с чем защита их в диапазоне среднелетальных доз не может быть обнаружена.
В состав необратимой компоненты лучевого поражения, определяющей, по существу, развитие отдаленных последствий, входят и другие функциональные нарушения, степень защиты от которых также трудно поддается количественной оценке. Не исключено, например, что снижение функциональной активности кроветворения при больших суммарных дозах или в отдаленные сроки после облучения частично обусловлено аномалиями генома в клетках регулирующих систем (нервной и эндокринной), как известно, практически не делящихся и сохраняющих хромосомные повреждения. Тогда у защищенных животных такие расстройства кроветворения должны быть достаточно сильно выражены, так как даже в случае частичного ослабления хромосомных нарушений огромное число клеток регулирующих систем все же будет содержать функционально неполноценный геном.
Рассматривая связь противолучевой защиты с процессами пострадиационного восстановления в организме, следует напомнить, что наряду с двумя его типами, характерными для непосредственных эффектов облучения (репарацией на клеточном уровне и репопуляцией), существует третий, обобщающий тип — пострадиационное восстановление в отдаленные сроки. При этом последний усложняется в биологических объектах по мере перехода от менее организованных к более развитым. Поэтому максимальное ослабление отдаленных последствий можно ожидать при при-
Время после облучения, сут
Рис. 19.18. Продолжительность жизни мышей, защищенных пятикомпонентной рецептурой протекторов (микстурой) перед облучением в дозах
6,5—7, 10, 13 и 20 Гр (по Д. Мэзену, 1968)
менении многокомпонентных рецептур в расчете на дифференцированную защиту отдельными их компонентами большего числа органов и систем.
Д. Мэзен показал, что пятикомпонентная рецептура (АЭТ, глутатион, цистеин, серотонин и МЭА) наряду с выраженным эффектом при 30-суточном наблюдении (см. рис. 19.16) при дозах до 10 Гр оказывает близкое по величине защитное действие и в отношении сокращения продолжительности жизни (рис. 19.18). При увеличении дозы до 13,5 Гр и выше причиной гибели мышей были радиационные пневмониты, которые эта смесь уже не ослабляла.
Многокомпонентная защита способствовала также ослаблению лейкемогенного эффекта облучения. Средняя продолжительность жизни защищенных смесью протекторов мышей после облучения в дозе 13,5 Гр была примерно такой же, как при дозе 6,5—7 Гр в контроле, а лейкемогенный эффект значительно уменьшался — с 34 до 12,4% (табл. 19.4). В то же время применение одного АЭТ при меньшей дозе (10 Гр) оказалось неэффективным или даже способствовало повышению частоты лейкозов. 404
Таблица 19.4. Влияние пятикомпонентной смеси протекторов на развитие лейкозов у облученных мышей
Вариант опыта
Количество мышей
Из них с лейкозами, %
Средняя продолжительность жизни, сут
Контроль
30
27,0
763
Облучение, 6,5—7 Гр
82
34,0
291
Смесь + облучение, 6,5—7 Гр
46
32,5
568
Смесь + облучение, 13,5 Гр
107
12,4
324
АЭТ + облучение, 10 Гр
50
46,6
314
Из данных табл. 19.4 следует также, что частота лейкемий у животных, защищенных пятикомпонентной рецептурой при облучении в дозах 6,5—7 Гр, не отличается от незащищенного контроля, что связано с резким увеличением средней продолжительности жизни в опыте по сравнению с контролем. Обнаружена также слабая защита той же смесью от эпителиом и сарком.
В 1980 г. нами в совместных исследованиях с С.Н. Александровым и В.Ф. Дубровской было проведено несколько серий опытов, результаты которых должны были позволить оценить влияние общей гипоксии на развитие отдаленных последствий. Половозрелых мышей подвергали тотальному у-облучению или облучению передней половины тела в дозах 2,5; 4,0; 5,5 и 7,5 Гр на воздухе или в условиях дыхания смесями, содержащими 6—8% кислорода. Усредненные данные повторных экспериментов на 780 мышах-гибридах F^CBA х С57ВГ) показали, что перевод животных во время облучения на дыхание гипоксическими смесями существенно ослаблял отдаленные последствия облучения. Радиационное сокращение средней продолжительности жизни уменьшалось с ФИД = 2,2 (рис. 19.19), ослаблялась степень поседения (ФИД = 1,5),
Рис. 19.19. Сокращение средней про-должительности жизни мышей послеобщего облучения на воздухе (7) и вусловиях гипоксии (6—6,5% О2) (2) -представлены данные двух опытов
Время после облучения, месВремя после облучения, месРис. 19.20. Развитие кардио- инефросклероза при общем облу-чении на воздухе (7) и в усло-виях гипоксии (6—6,5% Оз)(2) — представлены данные двухопытов
Время после облучения, мес
Время после облучения, мес
Рис. 19.21. Изменение массымышей после облучения перед-ней половины тела:
/ — контроль; 2— 13,5 Гр в услови-ях гипоксии; 5—18,5 Гр в условияхгипоксии; 4 — 13,5 Гр на воздухе
снижались частота и тяжесть нефро- и кардиосклероза (ФИД = 1,5; рис. 19.20), а также вероятность возникновения отеков плевры и перикарда, обусловленных сердечно-легочной недостаточностью (ФИД = 1,4).
Защитное действие гипоксии при облучении передней половины тела проявлялось и по такому интегральному показателю, как масса тела (рис. 19.21, ФИД = 1,4).
Заключая рассмотрение возможностей защиты от отдаленных последствий облучения, нельзя не отметить существование трудностей ее количественной оценки в связи с неизбежным влиянием многих внешних факторов. Это влияние не всегда можно учесть при длительном эксперименте, особенно при изучении бластомогенных эффектов из-за сложной дозовой зависимости «выхода» опухолей (см. гл. 17), а также из-за большой доли спонтанных опухолей у интактных животных. Тем не менее отчетливо выявленная радиозащитная эффективность гипоксических смесей в отношении отдаленных последствий облучения оказалась весьма важной для использования гипоксии при лучевой терапии злокачественных опухолей (см. гл. 21).
Возможности использования средствпротиволучевой защиты человеком
Несомненные успехи экспериментальной разработки средств противолучевой защиты на разных видах животных продемонстрировали возможность в 1,5—2 раза ослабить поражающее действие острого внешнего облучения (в большом числе экспериментов ФИД s 2). Это давало основание рассчитывать на успешное использование изученных протекторов человеком, подобно тому как это имеет место в широкой фармакологической практике в отношении других лечебно-профилактических препаратов. Однако на пути применения радиозащитных средств человеком возникло много трудностей и ограничений, преодоление которых остается актуальным и по сей день.
Одно из главных ограничений использования фармакохимических средств для противолучевой защиты человека состоит в том, что они эффективны только при предварительном применении перед облучением.
В чрезвычайных обстоятельствах их использование возможно только при двух ситуациях — в случае упреждающего сигнала о ядерной опасности и при преодолении зараженных радиоактивными веществами полос и рубежей, если оно не занимает длительного времени, так как эффективность защитного эффекта протекторов с течением времени сильно падает.
В мирное время область применения радиозащитных средств расширяется. Прежде всего они могут широко использоваться для ослабления поражения нормальных тканей при лучевой терапии опухолей (см. гл. 21). Кроме того, существует необходимость защиты человека от радиационной опасности в космосе, особенно в случае солнечных вспышек. Вследствие большого количества энергии, освобождающейся при каждой из них, на космическом корабле, несмотря на физическую защиту, создаваемую его стенками (и усиленную в защитном отсеке), уровни облучения могут достигать величин, опасных для здоровья космонавтов.
В этом случае, как было показано С. П. Ярмоненко (1967) в модельных экспериментах на мышах, использование протекторов может оказаться полезным даже при начавшейся вспышке, так как позволит отсечь часть эффективной поглощенной дозы. При дозах 1,5, 3,0 или 4,5 Гр облучение прерывали, мышам вводили смесь протекторов (мексамин и цистафос) и через 15 мин продолжали облучение так, что с учетом ФИД, принятого равным 1,9, ожидае-
Рис. 19.22. Защитный эффект комплекса протекторов (мексамина и цистафоса), введенного в процессе облучения: стрелкой указана ожидаемая эффективная доза (при суммировании первоначальной и повторной) с учетом ФИД = 1,9; точки и доверительные интервалы при р < 0,005 — фактическая эффективная доза
/ — ФИД; 2 — повторная доза;
3 — первоначальная доза
И7 №fr
мая суммарная доза во всех трех случаях должна была составить 6 Гр (~ ЛД5О/ЗО).
Как видно из рис. 19.22, на котором схематически представлены полученные результаты, предполагаемый защитный эффект и наблюдавшийся в опытах мало различались между собой. Во всех трех вариантах опытов к 30-м сут выживало около половины защищенных животных.
Таким образом, в эксперименте подтвердилась теоретически предсказанная величина ФИД для комплекса протекторов, поскольку суммарные эффективные дозы (с учетом защиты) оказались близкими к ожидаемым. Следовательно, на эффективность протекторов, введенных в организм в процессе облучения, не оказывает влияния поглощенная доза, уже полученная к моменту введения протектора, благодаря чему степень ослабления последующей дозы оказывается соответствующей величине ФИД, свойственной определенному протектору или смеси протекторов при их использовании перед однократным облучением.
Другое ограничение, препятствующее практическому применению протекторов, состоит в их высокой токсичности и малой терапевтической широте (диапазоне между токсичными и эффективными дозами) препаратов.
Оба эти ограничения в той или иной степени присущи и другим классам лечебно-профилактических средств, однако коренное и принципиальное отличие от них состоит в особенностях повреждающего агента — ионизирующего излучения. Успешная реализация биологической противолучевой защиты, как это было видно из изложения ее механизмов, требует либо присутствия молекул 408
протектора в критическом органе, либо создания в нем состояния гипоксии, но обязательно только в процессе размена энергии излучения.
Иными словами, в отличие от всех остальных патологических состояний, когда в распоряжении врача имеется больший или меньший запас времени, в случае использования протекторов гарантированный успех ограничен минимальным отрезком времени между их введением в организм и периодом облучения.
Наконец, в связи с тем, что реальная оценка эффективности протекторов для человека может производиться только в условиях лучевой терапии опухолей, возникает еще одно препятствие — необходимость преимущественной защиты нормальных тканей без ослабления противоопухолевого эффекта радиации.
Каковы же возможности реальной биологической защиты человека?
Анализ современного состояния этого вопроса, несмотря на очевидную сложность однозначного ответа, не дает оснований для пессимизма.
Прежде всего нельзя механически переносить на человека дозы фармакологически активных соединений, определенные для животных, в расчете на килограмм массы, ибо из общей фармакологии известно, что для достижения равнозначного эффекта человеку часто требуется значительно меньшее количество препарата, чем животным. ВТ. Владимиров и Т.Г. Джаракян в монографии, посвященной этому вопросу (1983), обосновали проведение соответствующих расчетов следующим образом. Размеры клеток одних и тех же тканей у млекопитающих разных видов примерно одинаковы, а количество микросом и митохондрий и, следовательно, содержание в них ферментов и других активных биосубстратов у мелких лабораторных животных значительно выше. Например, концентрация цитохрома С у мыши составляет 1105 мкг/г сухой массы ткани, а у человека 45. Отсюда фармакологическая активность веществ, связанная с воздействием на митохондрии, даже при равенстве внутриклеточной концентрации препарата будет различной. Равноэффективные дозы, например, мефеназина для мышей и человека различаются в 10 раз при расчете на единицу массы и только в 2 раза при расчете на единицу поверхности тела.
Исследования последнего времени показали возможность избирательной защиты нормальных тканей по сравнению с опухоля-
409
ми благодаря особенностям их гемодинамики, метаболизма, а также опосредованного влияния регулирующих систем (см. гл. 21). При этом важно, что для существенного повышения эффективности лучевой терапии вполне достаточно ослабления поражения нормальных тканей с ФИД = 1,2.
Наиболее существенные достижения в области противолучевой защиты были получены в последние годы при изучении альфа-адреномиметиков, в результате которых был отобран как наиболее эффективный препарат индралин.
Впервые противолучевые свойства у адреномиметиков были отмечены в 1952 г. в работах 3. Бака, А. Эрва и Д. Грея. Наиболее выраженными противолучевыми свойствами обладают альфа-адреномиметики. Среди них наиболее всесторонне изучен индралин. Индралин является радиопротектором экстренного действия, предназначенного для защиты персонала от воздействия высокоинтенсивного ионизирующего излучения в условиях радиационных аварий на АЭС и других радиационно опасных объектах. Препарат входит в состав индивидуальной противорадиационной аптечки АП для персонала предприятий атомной энергетики РФ.
Выраженные противолучевые свойства индралина выявлены на шести видах животных: мышах, крысах, хомячках, морских свинках, собаках и обезьянах [Васин М.В., 2001, Ильин Л.А. и со- авт., 1994]. Индралин пока единственный среди известных радиопротекторов, с помощью которого была установлена возможность достижения максимального радиозащитного эффекта с ФИД, близким к 3, на крупных животных (собаках). В табл. 19.5 представлены данные по противолучевым свойствам индралина на собаках при сверхсмертельных дозах. При этом он обладает значительной широтой радиозащитного действия на крупных животных (терапевтический индекс составляет 20—30).
Таблица 19.5. Противолучевая эффективность индралина в опытах на собаках при сверхсмертельных дозах у-облучения (по Л.А.Ильину и др., 1994)
Группа
Доза облучения, Р
Доза индралина, мг/кг
Количество животных
Выживаемость, %
Контроль
400
—
10
0
Индралин
400
10
62
90,3
600
10
10
60,0
600
30
10
100,0
700
30
10
100,0
800
30
20
55,0
Индралин, являясь альфа-адреномиметиком прямого действия, способен вызывать вазоконстрикторный эффект, не уступающий адреналину. Механизм его радиозащитного действия тесно связан с развитием острой гипоксии в радиочувствительных тканях. Сравнительный анализ высокой противолучевой эффективности индралина на собаках и его практически полное отсутствие в тех же условиях у мексамина при равном (в 2 раза) снижении напряжения кислорода в костном мозге животных свидетельствует, что отмечаемая степень циркуляторной гипоксии в радиочувствительных тканях не может полностью обеспечить наблюдаемый ра- диозащитный эффект индралина. Существенный вклад в развитие острой гипоксии в радиочувствительных тканях, очевидно, может внести метаболическая гипоксия вследствие усиления потребления кислорода в тканях под действием адреномиметиков.
Помимо выраженных противолучевых свойств и большой широты радиозащитного действия, индралин обладает еще одним преимуществом перед другими радиопротекторами, важным в экстремальных аварийных ситуациях, а именно — небольшим интервалом времени (около 5 мин) для достижения радиозащитного действия после его приема внутрь в виде таблеток (разовая доза 3 таблетки по 0,15 г).
Все эти данные послужили основанием для клинической оценки и принятия индралина (под шифром Б-190) в качестве профилактического радиозащитного средства у практически здоровых людей в чрезвычайных условиях и аварийных ситуациях в случае прогнозирования получения ими доз облучения, вызывающих развитие ОЛБ.
Инструкция по применению препарата Б-190 одобрена Фармакологическим комитетом Минздрава России 15.11.2002 г. и утверждена 19.06.2003 г. Департаментом государственного контроля лекарственных средств и медицинской техники Минздрава России.
Тем не менее дальнейшая разработка средств и способов биологической противолучевой защиты организма по-прежнему остается актуальной, хотя и сложной задачей радиобиологии человека как с практической точки зрения, так и с целью углубления теоретических основ и дальнейшего изучения молекулярно-клеточных механизмов действия ионизирующих излучений.
РЕЗЮМЕ
Под фармакохимической противолучевой защитой понимают ослабление лучевого поражения организма применением различных агентов — радиопротекторов.
Эффективность защиты максимально выражена при однократном воздействии редкоионизирующими видами радиации; снижается с ростом ЛПЭ, а также при фракционированном и, особенно, при хроническом облучении.
Наиболее эффективные радиопротекторы представлены двумя классами соединений — серосодержащими — аминоалкилтиолами и индолилалкиламинами. Кроме того, реальным радиозащитным агентом являются обедненные кислородом газовые смеси.
Применение радиопротекторов эффективно только при введении их перед облучением, так как в процессе облучения в защищаемых клетках должно поддерживаться либо достаточное для реализации защитного эффекта содержание молекул протектора, либо необходимое для этого состояние метаболизма.
Независимо от справедливости изложенных в главе гипотез, стремящихся непротиворечиво объяснить молекулярные механизмы биологической противолучевой защиты, на феноменологическом уровне суть ее сводится к ослаблению лучевого поражения клеток критических органов.
Иными словами, применение протекторов, ослабляя все виды лучевого поражения клеток, как бы снижает дозу облучения на определенную величину, именуемую фактором изменения дозы (ФИД).
ФИД в отношении большинства детерминированных эффектов облучения животных колеблется от 1,2 до 3,0 в зависимости от конкретных использованных протекторов или их сочетаний, а также от критерия оценки.
Защита в отношении отдаленных последствий выражена значительно слабее и проявляется только у отдельных протек412
торов, в частности у тех, действие которых реализуется опосредованно, через гипоксию.
Эффективность противолучевой защиты установлена на разных видах животных — мышах, крысах, морских свинках, собаках и обезьянах, однако практическое применение протекторов человеком пока весьма ограничено, и эта проблема требует дальнейшей разработки.
/*ч гх ГЛАВА
ZU КОМБИНИРОВАННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ДРУГИМИ АГЕНТАМИ
Экзогенные факторы, включая радиацию, воздействуют на человека не изолированно, а в сочетании друг с другом Виды и терминология комбинированных эффектов Механизмы и способы изучения комбинированных воздействий
Вопросы дозиметрии действующих агентов
Вследствие постоянно возрастающего в результате человеческой деятельности широкого распространения в окружающей среде многих антропогенных факторов оценка токсичности, канцерогенности и мутагенности любого физического (в том числе ионизирующей радиации), химического или биологического агента фактически является изучением комбинированных воздействий. Хотя это обстоятельство давно признано (Отчеты НКДАР 1982—2000 гг.), оценки рисков, как правило, осуществляются при упрощенном предположении, что изучаемый агент действует в большой степени независимо от других.
Изучение комбинированных эффектов указывает, что, по крайней мере при высоких уровнях воздействия, на действие одного из агентов могут оказывать влияние другие агенты. При этом совместный эффект может быть большим или меньшим, чем сумма эффектов каждого из агентов по отдельности. Мы уже касались этих вопросов при феноменологическом описании радиомодификации в 7-й главе, а конкретные примеры комбинированного применения радиации в сочетании с радиомодифицирующими и химиотерапевтическими средствами будут приведены в следующей, 21-й главе, посвященной лечебному применению ионизирующих излучений. Важно отметить, что во всех этих случаях радиация используется в высоких дозах, когда конечными показателями всегда служат детерминированные эффекты.
Значительно менее изучена возможность оценки комбинированных эффектов при низких уровнях действующих агентов, которые имеют место в обычной жизни и в профессиональных условиях. В этих случаях при низких уровнях одного облучения или во взаимодействии его с другими агентами главные конечные показатели имеют стохастическую природу. Поэтому, учитывая большую практическую значимость подобных данных, чтобы сделать правильные выводы из соответствующих радиационно-эпидемиологических исследований, необходим их постоянный критический анализ, о чем совершенно справедливо сделаны выводы в «Отчете НКДАР-2000».
Терминология комбинированных эффектов
При оценке эффектов комбинированных воздействий необходимо придерживаться строгих определений, так как терминологическая путаница препятствует адекватному восприятию результатов сравнительных исследований.
Один из основных вопросов в этой области заключается в следующем: равен ли эффект комбинированного воздействия двух или более агентов сумме эффектов каждого из агентов по отдельности или он отличается от той суммы? Для ответа на этот вопрос используют различные термины и синонимы, которые, как видно из табл. 20.1, основаны на отклонениях от ожидаемого результата в случае простого сложения раздельных эффектов, т.е. от аддитивности.
Таблица 20.1. Термины и синонимы для описания комбинированных эффектов
Эффект меньше ожидаемого
Ожидаемый эффект
Эффект больше ожидаемого
Антагонизм
Антергизм
Депотенцирование
Десенсибилизация
Ингибиция
Инфра-аддитивность
Негативное взаимодействие
Негативный синергизм Субаддитивность
Аддитивность Аддитивизм Независимость
Недифферентность
Отсутствие взаимодействия
Суммирование
Нулевое взаимодействие
Увеличение
Усиление
Позитивное взаимо
действие
Потенцирование
Сенсибилизация
Супераддитивность Супрааддитивизм
Синергизм Синергетика
Механизмы и методы изучениякомбинированных воздействий
На описательном уровне могут рассматриваться две группы комбинированных эффектов. В одном случае как ионизирующее излучение, так и другой (другие) агент вредны сами по себе и их комбинированное воздействие приводит к эффектам, которые по одиночным воздействиям напрямую не предсказываются. В другом — эффект производит только ионизирующее излучение, но характер и выраженность этого эффекта могут быть модифицированы другим агентом, который сам по себе не токсичен.
Что касается механизменного уровня, то сведения, полученные в недавние годы, указывают на необходимость намного более совершенной классификации. Главные классы генотоксичных и негенотоксичных агентов должны рассматриваться относительно определенных мишеней. Например, какое-нибудь химическое вещество, подействовав именно на сайте радиационно-индуцированного повреждения, может повлиять либо на правильность репарации ДНК, либо на клеточный рост, способствуя экспансии клонов предраковых клеток. Разнообразие возможностей взаимодействия связано со сложностью развития радиационных эффектов и их многоступенчатостью, включая процесс развития рака. При этом каждая из ступеней может быть подвергнута влиянию разнообразных эндогенных агентов или факторов окружающей среды.
На рис. 20.1 схематически изображен многоступенчатый процесс стохастических эффектов облучения и представлены заслуживающие внимания уровни взаимодействия. Идентификация важнейших комбинированных эффектов производится методами классической эпидемиологии, возможностей которых явно недостаточно для вычленения таких взаимодействий из сложной игры между воздействующими факторами. К тому же не документированные или вообще неизвестные, хотя вовлеченные в исследования лица, подвергаются действию этих факторов в течение всей жизни.
Возможно, такие сложные вопросы в ближайшем будущем станут предметом изучения развивающейся области молекулярной эпидемиологии. Пока же большая часть сведений об эффектах взаимодействий получена в результате экспериментальных исследований. Преимущество этих исследований над эпидемиологическими заключается в возможности контроля определяющих параметров изучаемых популяций (от ДНК до животных, вид, линия, 416
Ю-15-10"12-Ю-15-10"12-Поглощение энергии Возбуждение/ионизация Исходные треки частицПоглощение энергии Возбуждение/ионизация Исходные треки частицФизическиевзаимодействияФизическиевзаимодействия10"9-10"6-10"9-10"6-Формирование радикаловДиффузия, химические реакцииПервичное повреждение ДНКФормирование радикаловДиффузия, химические реакцииПервичное повреждение ДНКФизико-химическиевзаимодействияФизико-химическиевзаимодействияЮ"3 -- 1мсЮ"3 -- 1мсРазрывы ДНК/базовое повреждение_Разрывы ДНК/базовое повреждение_10° — 1с10° — 1с103 ‘-1ч, - 1день 106 -Иод109 -Юлет103 ‘-1ч, - 1день 106 -Иод109 -ЮлетПроцессы репарацииФиксация поврежденияГибель клетокМутации/трасформации/аберрацииПолиферация поврежденных клеток Промоция/завершениеТератогенезРакНаследственные дефектыПроцессы репарацииФиксация поврежденияГибель клетокМутации/трасформации/аберрацииПолиферация поврежденных клеток Промоция/завершениеТератогенезРакНаследственные дефектыБиологическиереакцииБиологическиереакцииМедицинскиеэффектыМедицинскиеэффекты
Ю-15-
10"12-
Ю-15-
10"12-
Поглощение энергии Возбуждение/ионизация Исходные треки частиц
Поглощение энергии Возбуждение/ионизация Исходные треки частиц
Физическиевзаимодействия
Физическиевзаимодействия
10"9-
10"6-
10"9-
10"6-
Формирование радикалов
Диффузия, химические реакции
Первичное повреждение ДНК
Формирование радикалов
Диффузия, химические реакции
Первичное повреждение ДНК
Физико-химическиевзаимодействия
Физико-химическиевзаимодействия
Ю"3 -- 1мс
Ю"3 -- 1мс
Разрывы ДНК/базовое повреждение_
Разрывы ДНК/базовое повреждение_
10° — 1с
10° — 1с
103 ‘-1ч
, - 1день 106 -
Иод
109 -
Юлет
103 ‘-1ч
, - 1день 106 -
Иод
109 -
Юлет
Процессы репарации
Фиксация повреждения
Гибель клеток
Мутации/трасформации/аберрации
Полиферация поврежденных клеток Промоция/завершение
Тератогенез
Рак
Наследственные дефекты
Процессы репарации
Фиксация повреждения
Гибель клеток
Мутации/трасформации/аберрации
Полиферация поврежденных клеток Промоция/завершение
Тератогенез
Рак
Наследственные дефекты
Биологическиереакции
Биологическиереакции
Медицинскиеэффекты
Медицинскиеэффекты
Рис.20.1. Схема развития событий, приводящих к стохастическим радиаци-онным эффектам. (Приложение Н к «Отчету НКДР-2000»)
возраст, пол и др.), характеристик воздействия (тип, доза, интенсивность, время), а также конечных показателей. Кроме того, при экспериментальных исследованиях с большим основанием можно напрямую соотнести меру воздействия и эффект, чем при типичных исследованиях у человека. Это определяется хотя бы тем, что история предмета изучения, а также воздействия известны и управляются, что облегчает установление причинно-следственных связей.
Однако недостаток экспериментов на клеточном уровне, да и на животных состоит в необходимости экстраполировать результаты на человека, при этом часто с высоких доз облучения в экспериментах на низкие уровни радиационного воздействия у человека. В этом случае наибольшая неопределенность связана с возможной неясностью при низких уровнях наличия порога и формы зависимости доза—эффект. Сбалансированное заключение о совместном воздействии агентов можно дать только в случае, когда известны эти зависимости как для действующих агентов по отдельности, так и для комбинированного воздействия, и используя мо-
Рис. 20.2. Взаимодействие двух агентов, действие которых зависит от дозы. Изоаддитивные результаты для агентов, имеющих сходный механизм действия, гетероаддитивность для независимо действующих агентов (по У. Синклеру, 1991)
дель, в которой оно может быть определено единообразно и количественно. Большинство исследований по комбинированным воздействиям этим условиям не отвечают.
Простейшая зависимость между дозой и эффектом — линейная. В рамках такой зависимости наиболее часто рассматриваемыми тремя типами взаимодействий между двумя агентами являются аддитивность, синергизм и антагонизм. Соответственно комбинированный эффект или равен эффектам независимых воздействий, или больше или меньше их.
Для комбинированных эффектов агентов с нелинейными зависимостями доза—эффект анализ сложнее, так как требует более точных определений терминов «аддитивность», «синергизм» и «антагонизм». Например, для зависимости доза—эффект с изгибом вверх (рис. 20.2) дополнительное приращение дозы одного агента приведет к нелинейному увеличению ответа, даже в случае аддитивности. Иногда для таких ситуаций неправильно использовался термин «синергизм» [Зельцер Ф. и др., 1993]. Вполне корректное на описательном и математическом уровнях столь широкое определение делает термин «синергизм» практически бесполезным при изучении комбинированных эффектов. При таком определении агенты с одинаковым спектром действия, т.е. полностью независимые, при любых дозах обнаружили бы кажущийся синергизм.
В свете механизменных представлений синергизм можно определить более узко, чтобы отразить, что комбинированное воздействие агентов осуществляется на разных этапах многоступенчатого процесса или на различных сайтах, что за счет различных меанизмов повышает шансы неблагоприятного исхода такого заболевания, как рак [БоркартВ., 1993]. Такой анализ, к сожалению, затруднительно осуществить в виду недостаточных знаний базисного механизма воздействия, поэтому его редко проводят.
В практическом плане термин «синергизм» приемлемее использовать в узком смысле. Наиболее важный вопрос состоит в том, свидетельствуют ли данные по комбинированным эффектам о модификации стохастических радиационных последствий в результате воздействий с другими агентами. Если это не так, то какого-либо взаимодействия предположить нельзя и конечный эффект аддитивен. Если же результат комбинированного воздействия иной, то следует допустить некоторую форму взаимодействия, а конечный эффект будет называться суб- или супрааддитивным, в зависимости от того, меньше эффект или больше соответственно, чем сумма эффектов отдельных агентов.
Оценка комбинированных воздействий
Наиболее важной предпосылкой для сравнительной оценки биологических эффектов различных агентов, а также их возможных взаимодействий является дозиметрия воздействующих агентов. Для ионизирующего излучения имеются хорошо разработанные методики, позволяющие оценить поглощенную дозу в любом объеме — от ядра клетки до отдельного органа и организма в целом. Значительно труднее дать понятие дозы или меры воздействия неионизирующих излучений, а также большинства химических и биологических агентов.
Ультрафиолетовое излучение, например, способно проникать в ткань самое большее на несколько миллиметров (в зависимости от длины волны). Оценить энергию, поглощенную в интересующей ткани, и таким образом эффективность УФ, непросто. Еще сложнее дозиметрия высокочастотных электромагнитных излучений, которые в последние годы приобретают все большее распространение в связи с бурным развитием мобильной телефонизации и телевидения.
Для химических и биологических агентов оценки внутренней дозы включают концентрацию агента или его метаболитов, при-
419
сутствующих в клетках, тканях или жидкостях организма. При этом понятие дозы необходимо построить на интеграле концентрации во времени. Однако здесь в дополнение к обычному важному вопросу о критических клеточных мишенях степень генетического повреждения или эпигенетического сигнала определяется также активацией и преобразованиями химических агентов в различных органах и системах. Описание используемой при этом сложной системы молекулярных маркеров и функциональных показателей клеточного метаболизма, находящейся в стадии постоянной разработки применительно к отдельным химическим и биологическим агентам — биохимического мониторинга, — выходит за пределы изложения в данном руководстве.
Можно лишь констатировать, что первичные молекулярные и клеточные эффекты многих агентов, потенциально вовлеченных в комбинированные воздействия, чрезвычайно разнообразны. Поэтому какая-либо унифицирующая концепция дозы неприменима. Однако сравнение токсичности может быть основано на подходящих экспериментальных и клинических конечных показателях, причем иногда связи с первичными повреждениями и воздействиями расплывчаты и запутаны. В настоящее время имеется большое количество количественных и полуколичественных индикаторов воздействия. Повреждение ДНК, например, можно измерить вплоть до функционального уровня отдельных генов, что позволяет прямо на этом уровне сравнивать биологическую активность различных агентов и оценивать возможные взаимодействия. Однако остается проблемой применимость стандартных методик анализа к критическим клеткам и тканям.
Опуская описание многочисленных исследований комбинированных эффектов различных агентов, ограничимся изложением основных результатов взаимодействий ионизирующего излучения с другими физическими, химическими и биологическими агентами с позиций влияния на здоровье.
Совместное воздействие различных типов ионизирующего излучения обнаруживает, как правило, изоаддитивные эффекты. С уменьшением дозы и при хроническом облучении квадратичный член зависимости доза—эффект стремится к пренебрежимо малой величине, а линейные члены становятся преобладающими, что означает аддитивность при низких уровнях облучения.
При низких уровнях совместного воздействия УФ-излучения и ионизирующего излучения эффект также аддитивен.
Температура и ультразвук не считаются факторами, заметно влияющими на радиационный риск, так как области температуры 420
и ультразвука, необходимые для проявления взаимодействия с ионизирующим излучением, охватывают слишком высокие значения (например, использование гипертермии при лечении рака, гл. 21), чтобы иметь отношен ие к нормативам для окружающей среды или на рабочих местах.
Минеральные пыль и волокна, включая асбест, при высоких уровнях (имевшихся на рабочих местах в 50-е годы и ранее) могут проявлять супрааддитивное взаимодействие с излучением. Сейчас профессиональные уровни воздействия ниже, но эти агенты все же заслуживают внимания вследствие их потенциальной способности увеличивать риск при совместном воздействии.
При высоких уровнях воздействия проявляются многочисленные эффекты супрааддитивности, связанные с взаимодействием генотоксичных соединений (например, алкилирующих агентов) с излучением. Однако при низких уровнях воздействия нет меха- низменных свидетельств комбинированных эффектов, больших, чем ожидаемые при изоаддитивности.
Негенотоксичные агенты, обладающие митогенной, цитотоксической или гормональной активностью, могут взаимодействовать с излучением, проявляя как аддитивные, так и супрааддитив- ные эффекты. При этом высокие уровни воздействия способны повышать радиационный риск на органной фазе развития рака, а при низких уровнях комбинированного воздействия эффект будет либо аддитивным, либо слабо супрааддитивным.
Особое внимание должно быть уделено взаимодействию излучения с табачным дымом, который сам по себе представляет сложную смесь различных генотоксичных и негенотоксичных соединений. Комбинированное воздействие излучения и табачного дыма четко обнаруживает супрааддитивные эффекты.
Тяжелые металлы и мышьяк могут вызывать образование свободных радикалов или нарушать механизмы репарации ДНК и, таким образом, также быть причиной супрааддитивных эффектов.
Многие злокачественные образования человека имеют отношение к образу жизни, питанию и другим, связанным с питанием факторам. Наблюдения показывают увеличение числа заболеваний при употреблении рибофлавина, этанола и большого количества жиров. При рационе с малым количеством жиров, включающем некоторые витамины, частота опухолей снижается.
Анализ многолетних исследований и современного состояния изучения оценок комбинированных эффектов ионизирующего излучения с другими агентами, проведенный в специальном науч-
421
ном приложении к «Отчету Н КДАР-2000», позволил прийти к следующему заключению.
При сильных воздействиях встречаются и синергические, и антагонистические комбинированные эффекты, однако нет убедительных свидетельств тому, что при контролируемых профессиональных или внешнесредовых воздействиях имеются отклонения от аддитивности. Это справедливо в отношении механизменных соображений при исследованиях на животных, а также оценок, основанных на эпидемиологии. Поэтому, несмотря на потенциальную важность комбинированных эффектов, результаты оценок воздействия одиночных агентов на здоровье человека считаются применимыми к ситуациям, когда воздействуют и множественные агенты.
За исключением излучения и курения эпидемиологические данные предоставляютлишь слабые доводы в пользу необходимых поправок на значимые антагонистические или синергические комбинированные эффекты. Количественный анализ радиационных рисков при малых дозах пока невозможен, ибо возможные отклонения от аддитивности при слабых воздействиях настолько малы, что они не могут проявиться ни в экспериментальных исследованиях, ни в популяционных когортах.
РЕЗЮМЕ
Комбинированные воздействия — характерные явления жизни. Почти все агенты окружающей среды — физические, химические и биологические, как естественные, так и антропогенные, — при определенных условиях воздействия могут вызывать неблагоприятные эффекты.
Идентификация комбинированных воздействий различных видов ионизирующего излучения и его разнообразных сочетаний с другими агентами осуществляется на основании экспериментальных исследований на животных и с помощью методов эпидемиологии. Те и другие имеют свои достоинства и недостатки.
Важной предпосылкой количественной оценки комбинированных эффектов является дозиметрия действующих агентов. Наиболее хорошо дозиметрия представлена при измерении ионизирующего излучения в рамках концепции поглощенной дозы. Значительно слабее эти вопросы разработаны применительно к другим агентам, для идентификации которых 422
пользуются часто далеко не совершенными методами биохимического мониторинга.
При высоких уровнях воздействия могут возникать самые различные типы комбинированных эффектов — аддитивные и отклоняющиеся от нее в обе стороны антагонистические и синергические эффекты.
За исключением сочетания излучения с курением нет свидетельств, что воздействия множественных агентов при низких уровнях приводят к комбинированным эффектам, далеким от аддитивности или превышающим оценки согласно линейной экстраполяции эффектов одиночных агентов к меньшим дозам.
ч ГЛАВА
Z 1 РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛЕЧЕБНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Радиобиологические принципы лечения злокачественных новообразований
Роль опухолевой гипоксии
Пути и средства избирательного усиления лучевого поражения опухолей и селективной защиты нормальных тканей: сенсибилизаторы и протекторы
Использование особенностей метаболизма опухолей Гипертермия
Тяжелые ядерные частицы в лучевой терапии Увеличение толерантности нормальных тканей изменением режима фракционирования
Задачей лучевой терапии рака является подавление способности опухолевых клеток к неограниченному размножению. При небольшом размере опухолевого очага эта задача решается путем подведения к опухоли дозы, одномоментно подавляющей клоногенный потенциал всех составляющих опухоль клеток. Требуемую дозу можно подсчитать, исходя из известных кривых «доза—эффект» для выживаемости (клоногенной способности) опухолевых клеток различного происхождения, а также объема новообразования, зная, что в каждом кубическом миллиметре любой ткани содержится около 1 млн клеток. Примером одномоментного воздействия является протонная терапия (см. ниже) меланомы сетчатки глаза и опухолей гипофиза, проводимая за один сеанс облучения.
Однако такие условия представляют исключение, и при лучевой терапии в зоне облучения неизбежно оказываются и опухоль, и окружающие ее здоровые ткани. Более того, часть нормальных тканей подвергается облучению специально, с целью подавления роста опухолевых клеток, проникающих туда в результате присущей им способности к инвазивному росту.
Постоянной технической составляющей прогресса лучевой терапии является совершенствование аппаратуры и источников облучения, призванных обеспечить лучшее пространственное распределение дозы между зоной опухолевого роста и окружающими 424
тканями. В первые десятилетия развития лучевой терапии основной задачей являлось повышение энергии рентгеновского излучения, что позволило перейти от лечения поверхностно расположенных новообразований к глубоко расположенным опухолям. Появление кобальтовых гамма-установок позволило улучшить соотношение глубинной и поверхностной доз. Дело в том, что спад мощности дозы у-излучения 60Со по глубине ткани идет менее круто, чем при действии рентгеновского излучения, к тому же максимум поглощенной дозы располагается не на поверхности, как при рентгеновском излучении, а на глубине 3—4 мм. Эффективность перехода от рентгеновского к у-излучению проиллюстрирована в табл. 21.1.
Таблица 21.1. Сравнительные результаты лечения опухолей рентгеновским и у-излучением (по Д. Буну и др., 1971)
Вид опухоли
5-летняя выживаемость больных, %
Рентгеновское излучение
у-излучение
Рак тела матки
35-45
55-65
Рак предстательной железы
5-15
55-60
Рак мочевого пузыря
0,5
25-35
Семинома
65-75
75-90
Рак носоглотки
20-25
45-50
Следующим этапом стало использование линейных ускорителей электронов, которые позволяют проводить облучение пучком самих ускоренных электронов, а также тормозным излучением. Наиболее совершенные установки сейчас снабжаются лепестковым коллиматором, позволяющим формировать поле облучения соответственно форме новообразования.
Еще более совершенное пространственное распределение поглощенной дозы между опухолью и окружающими ее нормальными тканями по сечению пучка и по его оси сейчас получают, используя тяжелые (по сравнению с электроном) заряженные частицы, к которым относят протоны, ионы гелия, ионы тяжелых элементов, в первую очередь углерода (12С5+), а также к-- мезоны.
Независимо от технического прогресса лучевой терапии не менее важным является биологическое направление ее усовершенствования и повышения эффективности, которому и будет уделено внимание в данной главе. Речь идет о разработке методов расширения «терапевтического интервала» в радиочувствительности опухолей и попадающих в зону лучевого воздействия нормальных
425
тканей. Такие исследования в течение многих десятилетий успешно проводились лучевыми терапевтами на чисто эмпирической основе, однако в последние годы они все в большей мере стали опираться на радиобиологические исследования, выяснившие детали процессов, происходящих при облучении в различных тканях. Лучевая терапия — область постоянного практического приложения радиобиологических знаний.
В развитых странах полные курсы того или иного варианта лучевой терапии проходит до 50% онкологических больных, в России — не более 25%, причем во многих случаях не на систематической основе и без полной программы обучения персонала.
Среди всех онкологических больных более 10% полностью излечиваются от рака при использовании только одной лучевой терапии. При некоторых локализациях и ограниченной распространенности опухолевого процесса облучение является особенно эффективным методом лечения. Так, 5-летняя выживаемость больных раком шейки матки I стадии составляет 90%, II стадии — 88%, и III стадии, когда опухоль вышла за пределы шейки матки, 70%. При лечении рака гортани I—II стадии 5-летняя выживаемость составляет, по данным разных авторов, 75—90%. При лечении лимфогранулематоза на стадиях I—ПА 5-летняя выживаемость доходит до 85—100%.
Вместе с тем только одна лучевая терапия опухолей многих других локализаций менее эффективна. Излечение большей части больных достигается хирургическими, лекарственными (химиотерапевтическими) и комбинированными методами, причем в значительной части случаев включающими лучевую терапию.
Попытки улучшить результативность лучевых методов лечения простым увеличением подводимых доз наталкиваются на резкое возрастание частоты и тяжести лучевых осложнений со стороны нормальных тканей. Преодолением этих препятствий и занимается радиобиология, точнее, ее специальное направление — клиническая радиобиология, — путем углубленного изучения процессов, происходящих в тканях в условиях фракционированного воздействия, а также факторов, определяющих радиочувствительность опухолей и нормальных тканей у индивидуальных больных. Практический выход эти исследования находят в новых методах повышения эффективности лучевой терапии — за счет использования радиомодификаторов и новых режимов фракционирования дозы.
Факторы, влияющие на радиорезистентностьопухолей
Эффективность лучевой терапии определяется многими обстоятельствами, часть из которых приходится принимать как данность, а для противодействия некоторым из них разрабатываются специальные методы.
К числу неблагоприятных факторов относится большой размер первичного очага и зон регионарного распространения опухоли, что обязывает проводить облучение значительных объемов нормальных тканей, при котором возрастает вероятность тяжелых осложнений.
Большое влияние на эффективность лучевой терапии оказывает исходная радиорезистентность опухолевых клеток, которая значительно варьирует как среди опухолей различного происхождения, так и среди новообразований одной и той же локализации и гистогенеза у индивидуальных больных.
ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ИСХОДНОЙ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК
Общеизвестен факт значительных отличий в радиочувствительности опухолей различной локализации и гистологического строения. К числу радиочувствительных новообразований принято относить лимфомы, миеломы, семиномы, опухоли головы и шеи; к опухолям с промежуточной радиочувствительностью — опухоли молочной железы, немелкоклеточный рак легкого, рак мочевого пузыря; к наиболее радиорезистентным — опухоли нейрогенного происхождения, остеосаркомы, фибросаркомы, рак почки. В общем плане низкодифференцированные опухоли более радиочувствительны, чем высокодифференцированные.
Клеточные линии, полученные из разных новообразований, демонстрируют значительную вариабельность в радиочувствительности при облучении в стандартных условиях. В качестве примера широты изменения радиочувствительности приведем данные Дж. Чепмена (рис. 21.1). Среди имевшихся в его распоряжении 8 линий клеток опухолей человека наиболее радиочувствительными оказались глиобластома и меланома, у которых после облучения в дозе 2 Гр фракции выживших клеток (SF2rp, см. гл. 7 и 8) были равны соответственно 0,01 и 0,03 (1 и 3%). Промежуточное место заняли клетки нейробластомы, рака яичников и молочной железы, а наиболее радиорезистентными оказались клетки рака
Доза излучения, Гр
Рис. 21.1. Кривые выживаемости клеток нескольких линий, полученных из различных опухолей человека и изученных в строго одинаковых условиях (по Дж. Чепмену, 2003):
1 — глиобластома, линия Mo59J; 2—меланома, линия НТ144; 3 и 4—нейробластомы, линии НХ132 и НХ142; 5 — рак яичников, линия А278О, 6 — рак молочной железы, линия MCF7; 7—рак яичников, линия OVCAR1O, 8 — рак кишечника, линия НТ-29
толстого кишечника линии НТ-29, у которых SF2rp равнялась 0,73. Хотя такое распределение клеток по радиочувствительности во многом не соответствует представлениям о радиочувствительности опухолей, этот рисунок наглядно демонстрирует большой размах варьирования исходной, ничем не модифицированной радиочувствительности опухолей, с которыми приходится встречаться лучевому терапевту. Имеются данные о широчайшей вариабельности радиочувствительности клеточных линий, полученных из опухолей одного и того же гистологического строения. Например, среди 18 изученных линий клеток меланомы человека выживаемость после облучения в дозе 2 Гр варьировала от 20 до 88%. Неудивительно, что конкретная линия клеток меланомы, с которой работал Дж. Чепмен, вполне могла оказаться более радиочувствительной, чем линии клеток из «радиочувствительных» опухолей, что подчеркивает только ориентировочный характер такого деле- 428
ния. Причины столь широкой вариабельности «тканевой» и «индивидуальной» чувствительности клеток к облучению остаются неясными.
Ранее, в гл. 8, вкратце сообщалось об определенной корреляции между радиочувствительностью опухолевых клеток и результативностью лучевого лечения. О связи этих показателей свидетельствуют примеры наблюдения за индивидуальными больными. С. Вест и соавторы определили величины SF2rp для клеток, полученных из биопсийного материала 128 больных раком шейки матки, а по прошествии 5 лет сопоставили их с выживаемостью. С учетом большой вариабельности значений SF2rp опухоли были подразделены всего на 2 группы — с высокой и низкой радиочувствительностью. Среди лиц, опухолевые клетки которых имели низкие SF2rp, т. е. более радиочувствительные опухоли, выживаемость составила 70%, в другой группе выжило менее 50% больных. Аналогичное сравнение для больных, имевших опухоли головы и шеи, провели Т. Бьерк-Эрикссон и соавторы. В группе из 45 больных с меньшей величиной SF2rp 5-летняя выживаемость превысила 90%, а в группе из 39 больных с более высокой исходной радиорезистентностью клеток выживаемость была ниже 70%.
РОЛЬ ОПУХОЛЕВОЙ ГИПОКСИИ
При рассмотрении кислородного эффекта в гл. 9 отмечались значительное увеличение радиорезистентности клеток при их переходе в гипоксическое состояние, а также тот факт, что развитие гипоксии является логическим следствием неуправляемого роста злокачественных опухолей. Клетки опухоли растут быстрее питающей их сосудистой сети, а сама она по сравнению с сосудистой сетью нормальных тканей физиологически неполноценна. Плотность капиллярной сети неравномерна по объему новообразования; имеется множество шунтов, по которым кровь перетекает прямо из артериального в венозное русло, вновь образованные артериолы лишены мышечной стенки. Деление клеток, расположенных около сосудов, раздвигает капилляры, и на расстоянии 150—200 мкм от них возникают зоны хронической гипоксии. Кислород не доходит до этих зон, так как по пути активно поглощается в процессе метаболизма.
Неуправляемое деление клеток, кроме того, чисто механически приводит к периодическому повышению внутриопухолевого давления, из-за которого происходит временное сдавливание от- 429
Парциальное напряжение кислорода, мм рт. ст.
б
Рис. 21.2. Гистограмма распределения величин рО2 в ткани нормальных молочных желез, по данным для 16 индивидуумов (с), и в опухолях молочных желез стадии Tw, по данным для 12 больных (б) (по П. Ваупелю и М. Хёкель, 1999)
дельных капилляров и прекращение кровотока. Длительность полного прекращения микроциркуляции в определенном опухолевом объеме изменяется десятками минут, и в это время рО2 может падать практически до нулевых значений. В этом случае речь идет о состоянии острой гипоксии. Последняя ведет к гибели части опухолевых клеток, сопровождающейся возникновением зон асептического некроза, видимых на гистологических препаратах опухолей. В итоге в опухоли наблюдается весь спектр оксигенации клеток — от нормально оксигенированных до аноксических.
Рис. 21.2 дает представление о распределении участков с различной величиной рО2 в ткани нормальной молочной железы и ее новообразованиях, находящихся на самой ранней стадии роста (Tt и Т2). Напряжение кислорода определяли микроэлектродами, измерения в каждом случае проводили примерно в 50 точках изучаемой ткани. В здоровых тканях медиана рО2 равна 65 мм рт. ст., в опухолях — 28 мм рт.ст. В здоровых тканях не было участков с рО2 ниже 12,5 мм рт. ст., т.е. гипоксическая защита клеток с самым низким рО2 не превышала ФИД = 1,25. В опухолях 40% измерений дали значения в диапазоне от 2,5 мм рт. ст. до 0. Как было показано на рис. 9.3, при таких уровнях оксигенации ФИД гипоксической защиты имеет величину от 2,75 (при рО2 2,5 мм рт. ст.) до 3—3,5.
Аналогичные различия по оксигенации нормальных и опухолевых тканей демонстрирует рис. 21.3, на котором по оси абсцисс отложено значение медианы рО2 в изучаемой ткани, а по оси ординат — кумулятивный (нарастающий) процент лиц с такими величинами рО2. Медианы рО2 нормальных тканей в основном находились в диапазоне от 35 до 60 мм рт. ст., так что гипоксические зоны в этих тканях отсутствуют. Напротив, у 40% больных с саркомами мягких тканей и у 60% больных раком головы и шеи медиана парциального давления кислорода находилась ниже 20 мм рт. ст., т.е. в зоне, где гипоксия приводит к росту радиорезистентности.
Медиана парциального напряжения кислорода, мм рт. ст.
Рис. 21.3. Кумулятивная кривая значений медианы рО2 в нормальных тканях (▲ — 19 чел.); опухолях головы и шеи (О — 74 чел.), саркомах мягких тканей (• — 31 чел.) и доброкачественных новообразованиях (0 — 9 чел.) (по М. Нордсмарк и Й. Овергорду, 1999)
Рис. 21.4. Кривые выживаемости in vitro клеток ELD при облучении в аэрированной суспензии клеток, выделенных из опухоли (7), и облучении в составе опухоли у животных в нормальных условиях (2) или животных, подвергнутых за 5 мин до облучения опухоли асфиксии (5)
Примером влияния опухолевой гипоксии на радиочувствительность могут служить результаты опытов по сравнительной оценке клоногенной способности клеток, облученных in vitro и in situ, в составе опухоли. Такие опыты можно проводить на клетках, адаптированных к росту как in vitro, так и in vivo, что достигается путем многократной прививки клеток из культуры животным, где они образуют опухоли, и последующего перевода клеток обратно, из опухоли в культуру. После этого посев in vitro клеток, выделенных с помощью трипсинизации прямо из опухоли, позволяет легко определять их клоногенную способность.
На рис. 21.4 приведены кривые выживаемости клеток солидного рака Эрлиха мышей после облучения: 1) in vitro в аэрированной суспензии; 2) в составе опухоли у мышей в обычных условиях; 3) в составе опухоли через несколько минут после забоя животных, когда все клетки метаболически потребили имеющийся кислород и перешли в состояние полной аноксии. Доза, снижающая выживаемость до 1% от исходной, при облучении клеток in vitro равна 432
1004$
■*V'^' i
60
-/f
20"^
1012141618
Уровень гемоглобина в крови, г/л
Рис. 21.5. Зависимость 5-летней выживаемости больных опухолями головыи шеи от уровня гемоглобина в крови до начала курса лучевой терапии(по М. Хенке и др., 1999):
представлена актуариальная кривая дожития 799 больных
7 Гр, а при облучении аноксических опухолей — 24 Гр, т. е. больше чем в 3 раза. При облучении опухолей у живых животных аналогичное снижение выживаемости наступило при дозе 19 Гр.
«Усредненная» радиорезистентность опухолевых клеток, облученных у животных, дышащих воздухом, была ниже, чем в полностью аноксических новообразованиях, однако она была в 2,7 раза выше (19 Гр : 7 Гр = 2,7), чем у тех же клеток в состоянии полной оксигенации. Столь велико может быть радиомодифицирующее значение опухолевой гипоксии, правда, при однократном воздействии в большой дозе.
В качестве примера приведем данные о связи эффективности излечения опухолей головы и шеи с уровнем гемоглобина крови перед началом курса лучевого лечения. Уровень гемоглобина прямо связан с транспортом кислорода кровью. Как показывает рис. 21.5, 5-летняя выживаемость больных значительно выше при более высоком уровне гемоглобина.
В ряде исследований показана корреляция эффективности лечения опухолей шейки матки с плотностью сосудистой сети, оцененной на биопсийном материале, также взятом до начала лечения.
Неудивительно, что разработка методов преодоления радиорезистентности, обусловленной переходом опухолевых клеток в гипоксическое состояние, стала одной из важнейших задач клинической радиобиологии.
Методы управления тканевойрадиочувствительностью при лучевой терапии
Под управлением тканевой радиочувствительностью* мы понимаем обеспечение возможности ее произвольного направленного изменения с помощью модифицирующих агентов. Особенностью управления радиочувствительностью в условиях лучевой терапии является необходимость обеспечения избирательности воздействия, при котором сенсибилизация опухолей была бы селективной, или, по меньшей мере, преимущественной, т. е. большей, чем сенсибилизация здоровых тканей, а протекторы преимущественно защищали бы клетки нормальных тканей.
Принципиальная возможность управления радиочувствительностью с помощью направленного радиомодифицирующего воздействия основана на различиях в кровоснабжении и кислородном режиме, метаболизме, а также клеточно-кинетических параметрах опухолей и нормальных тканей.
СЕНСИБИЛИЗАЦИЯ ГИПОКСИЧЕСКИХ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК
Самым прямым методом оксигенации гипоксических опухолевых клеток является использование для дыхания чистого кислорода. В начале 50-х годов английские радиобиологи Л. Грей, именем которого названа единица поглощенной дозы, и О. Скотт разработали метод оксибарорадиотерапии — на время сеансов лучевой терапии больного помещали в барокамеру, в которой кислород находился под давлением в три атмосферы. При таком давлении кислородом насыщается не только гемоглобин, но и существенно увеличивается парциальное напряжение кислорода, растворенного в плазме крови. При этом было необоснованно предположено, что дополнительное повышение концентрации кислорода не скажется на реакции хорошо оксигенированных нормальных тканей, радиочувствительность которых уже при дыхании воздухом максимальна, в то время как плохо оксигенированные участки опухоли в этих условиях станут более радиочувствительными.
Практическое применение оксибарорадиотерапии подтвердило возможность усиления регрессии некоторых опухолей. По дан -
Термин «управление радиочувствительностью» введен нами в 1975 г. [Ярмо- ненко С.П.//Вопросы онкологии. 1975. Т. 21. № 5].
434
ным С.Л. Дарьяловой, имеющей самый большой опыт оксибарорадиотерапии в нашей стране, метод был наиболее эффективен при недифференцированных формах опухолей различных локализаций, но особенно опухолей головы и шеи. В недифференцированных опухолях существует наибольший дисбаланс между ростом паренхимы и стромы, что приводит к неадекватному кровоснабжению и нарастанию опухолевой гипоксии.
Нельзя, однако, не отметить, что успехи оксибарорадиотерапии оказались скромнее, чем того ожидали. Сейчас понятно, что в значительной степени это было связано с технической невозможностью использовать обычное фракционирование, так как длительность сеанса в условиях использования барокамеры диктовала необходимость ограничения их числа, т. е. применения больших фракций, что неблагоприятно сказывается на тяжести отдаленной лучевой патологии. Кроме того, оказалось, что некоторые ткани человека, в частности кожа, слюнные железы и хрящ, в нормальных условиях также содержат гипоксические клетки, радиочувствительность которых в условиях гипербарической оксигенации возрастала, что потребовало снижения курсовых доз. Оказалось также, что даже при повышенном давлении кислород не доходит до некоторых клеток, вероятнее всего, клеток, гипоксия которых вызвана временным прерыванием кровотока. Вместе с тем использование гипербарической оксигенации позволило улучшить результаты лечения нескольких видов опухолей, в первую очередь карциномы шейки матки и новообразований головы и шеи.
В настоящее время активно используется другой метод оксигенации — дыхание карбогеном, смесью кислорода с 3—5% углекислого газа, усиливающего легочную вентиляцию за счет стимулирования дыхательного центра. Улучшению оксигенации опухолевых клеток при этом способствует назначение больным никотинамида — препарата, расширяющего кровеносные сосуды.
Большое внимание уделяется разработке химических соединений, обладающих электронакцепторными свойствами, имеющих, как и кислород, высокое сродство к электрону и потому выполняющих его функции «фиксации» лучевых поражений ДНК. При этом в отличие от кислорода электронакцепторные сенсибилизаторы (ЭАС) не используются клеткой в процессе энергетического метаболизма и потому диффундируют на значительное расстояние от капилляров. Первые данные о радиомодифицирующем действии таких соединений были получены для метронидазола и мизо- нидазола. Как видно из рис. 21.6, препарат, не влияя на действие ионизирующего излучения в воздухе (кривые 3 и 4 совпадают),
Доза излучения, Гр
Рис. 21.6. Выживаемость клеток китайского хомячка, облученных на воздухе и в аноксии в присутствии метронидазола и без него (по Дж. Чепмену, 1979)
/ и 2 —облучение на воздухе в присутствии метронидазола и без него; 3 — облучение в аноксии в присутствии метронидазола; 4 — облучение в аноксии в отсутствие метронидазола
резко снижает выживаемость клеток, облученных в атмосфере азота: на уровне 1%-й выживаемости ФИД азота по отношению к облучению на воздухе в обычных условиях составляет 2,7, а при введении в среду метронидазола снижается до 1,75.
К настоящему времени проведены клинические испытания ряда ЭАС с пониженной (по сравнению с первыми препаратами — метро- и мизонидазолом) токсичностью; к их числу относятся японский препарат АК-2127, датский ниморазол и американский этанидазол.
АК-2721 оказался эффективен при лечении рака шейки матки; использование ниморазола повышает эффективность лучевой терапии опухолей головы и шеи.
Вместе с тем многие препараты, дававшие в эксперименте высокую сенсибилизацию гипоксических клеток, в клинике оказались неэффективными.
Радиобиологические исследования помогли установить причины столь значительного снижения эффективности при переходе 436
от эксперимента к клинике. Экспериментальные исследования с облучением опухолей животных обычно проводят в условиях однократного облучения или, в лучшем случае, крупнофракциони- рованного. В клинике при полном курсе лучевой терапии обычно применяют мелкие фракции. Однако с увеличением числа фракций возрастает токсичность препарата, вследствие чего приходится снижать его дозу, что уменьшает сенсибилизирующий эффект. Кроме того, сенсибилизирующее действие и кислорода, и ЭАС снижается в области доз порядка 2 Гр (см. гл. 9), используемых при стандартной лучевой терапии.
Таким образом, при переходе от крупнофракционированного облучения в эксперименте к мелкофракционированному в клинике эффективность ЭАС понижается, при этом требуется применять большее количество препарата (со всеми или хотя бы с большей частью фракций), что сделать невозможно из-за их высокой нейротоксичности.
Разработки новых ЭАС продолжаются и в настоящее время, но гораздо менее интенсивно, чем это было в 70-е и 80-е годы.
ГИПЕРТЕРМИЯ
Под гипертермией в радиационной онкологии понимают кратковременный, в пределах одного часа, локальный нагрев отдельных участков тела (локальная гипертермия) или нагрев всего тела, за исключением головного мозга (общая гипертермия), до температуры 40—43,5°С. Такой нагрев сам по себе приводит к гибели некоторой части клеток, которая увеличивается в условиях пониженного pH, характерного для гипоксических зон злокачественных новообразований. Поэтому гипертермическое воздействие само по себе применяют для лечения лишь отдельных злокачественных и особенно доброкачественных новообразований, главным образом, аденомы простаты. В основном же гипертермию используют в сочетании с лучевой терапией (тогда говорят о терморадиотерапии) и химиотерапией (термохимиотерапия). При сочетании с лучевой терапией, которое и будет рассмотрено в данном разделе, повышение эффективности лечения онкологических больных определяется как аддитивным действием гипертермии и ионизирующей радиации, так и их синергизмом.
ЛОКАЛЬНАЯ ГИПЕРТЕРМИЯ
Лучевую терапию применяют непосредственно до или после сеанса локальной гипертермии. Прогревание производят электромагнитными излучениями разной длины волны, обеспечивающими разную глубину прогрева тела, или ультразвуком. В экспериментах на мелких лабораторных животных — мышах и крысах — используют водяную баню, куда погружают конечности животных с привитыми опухолями. В опытах на крупных животных — собаках — применяют обычное клиническое оборудование.
В клиниках стран СНГ наиболее часто используют аппаратуру для электромагнитного нагрева (в том числе для внутриполостной гипертермии), в которой энергия подается к опухоли с помощью антенн направленного действия.
Рассмотрим вначале действие гипертермии in vitro. Известно, что повышение температуры на 1—3°С, до 38—41 °C, не сказывается на жизнеспособности клеток человека даже при длительной инкубации. Гибель клеток начинается после часового пребывания их при 41,5°С. В интервале от 41,5 до 43,5°С гибель клеток значительно увеличивается при каждом повышении температуры на 0,5°С, причем чем выше температура, тем более выражен эффект такого повышения (рис. 21.7). Влияние длительности сеанса гипертермии значительно усиливается при большей температуре. Таким образом, поражение клеток зависит от «тепловой дозы», величина которой возрастает с увеличением температуры и длительности ее воздействия.
Аналогичная зависимость наблюдается и для нормальных тканей. По данным О.К. Курпешева и А.Г. Коноплянникова, некротизация кожи хвоста наступает у 50% мышей после нагрева участка хвоста в течение 125 мин при температуре 42°С, через 64 мин — при 43°С и через 32 мин — при 44°С. Повышение температуры на 1°С вдвое сокращает время гипертермического воздействия, требуемого для одной и той же степени поражения.
Принципиальных различий в термочувствительности опухолевых и нормальных клеток одного и того же происхождения не наблюдается. Известными примерами большей чувствительности являются лейкозные клетки, если в качестве их аналога взяты клетки костного мозга.
Спектр вариаций термочувствительности нормальных тканей значителен, но не столь велик, как при действии радиации. К числу терморезистентных относятся кровеносные сосуды. Термочувствительными являются почки и печень, а также семенники. 438
Продолжительность нагревания, мин
Рис. 21.7. Выживаемость клеток китайского хомячка линии СНО при разной длительности нагревания в различных температурных диапазонах (по В. Дюи и др., 1977)
Кожа, мышцы, ткань, хрящ, тонкий и толстый кишечник относятся к числу тканей с промежуточной термочувствительностью.
Ранее уже говорилось о недостаточной и неполноценной в физиологическом плане системе опухолевого кровоснабжения. Извитые, во многих случаях лишенные мышечной стенки, сосуды опухоли, в отличие от сосудов нормальных тканей при повышении температуры не расширяются и не способствуют увеличению оттока подводимой к ткани энергии, в связи с чем температура новообразования повышается в большей степени, чем температура нормальной ткани. Эти различия наглядно представлены на рис. 21.8, а и б. Диссипация тепла самым существенным образом определяет температуру: для нагрева тканеэквивалентного фантома требуется гораздо меньше энергии, чем для нагрева аналогичного объема нормальной ткани. Имеются данные о снижении скорости опухолевого кровотока в процессе нагрева. Из-за различий в диссипации подведенной электромагнитной энергии температура в центре опухоли может на 1—1,5°С превышать температуру нормальных тканей, также находящихся в зоне прогрева.
Радиомодифицирующее действие гипертермии связывают с нарушением репарации лучевых повреждений ДНК. Его эффект
439
До гипертермии
Нормальная ткань
Опухоль
Рис. 21.8. Схема, иллюстрирующая различие в реакции на нагревание сосудистой сети нормальных тканей и опухолей
Во время сеанса гипертермии
Опухоль
для опухолей примерно одинаков при их нагреве как до, так и после сеанса облучения (рис. 21.9). Максимум радиомодификации наблюдается при облучении на фоне повышенной температуры — в приведенном примере ФИД гипертермии достигает 2,3 как для опухоли, так и для кожи. Чем дальше отстоит сеанс гипертермии от облучения (как до, так и после него), тем ниже ФИД, однако и при 24-часовом интервале в ту и другую сторону поражение опухоли все еще остается повышенным с ФИД 1,5. Модифицирующее действие гипертермии после облучения снижается быстрее, чем поражение опухоли, и при интервале между воздействиями свыше 4 ч ФИД уменьшается до 1.
На практике проводить облучение во время сеанса гипертермии технически сложно. Обычно сеансы гипертермии проводят до или после облучения, причем следует иметь в виду, что гипертермия длится около часа, в то время как облучение занимает несколько минут. Приведенные на рис. 21.9 данные указывают на различную динамику спада радиомодифицирующего действия гипертермии для опухоли и нормальной ткани после облучения, что как бы увеличивает «терапевтический интервал» гипертермии. Что касается облучения во время гипертермического сеанса, то из приведенного графика следует, что именно в этом случае происходит совпадение ФИД для двух кривых. Однако график построен для случая одинаковой температуры опухоли и кожи — такова была цель данного эксперимента, — в то время как в клинических условиях нагрев ведется таким образом, чтобы обеспечить в опухоли более высокую температуру, чем в нормальных тканях.
Рис. 21.9. Влияние времени между сеансом гипертермии (нагрев до 42,5°С в течение 1 ч) и облучением на радиомодифицирующий эффект гипертермии, оцениваемый по регрессии опухоли и реакциям нормальных тканей (по Й. Овергорду, 1982):
по оси абсцисс слева — время между сеансом гипертермии и облучением, справа — между облучением и последующим сеансом гипертермии; по осям ординат — ФИД гипертермии
Особенностью гипертермического воздействия является наступающее вслед за ним повышение устойчивости ткани к повторному нагреву. Это явление носит название индуцированной термотолерантности. Термотолерантность ткани непрерывно увеличивается в течение 1—2 сут после прогрева, затем спадает, сначала более быстро, затем все медленнее и медленнее. Полная элиминация повышенной термотолерантности занимает 1—2 мес. На максимуме развития возрастание термотолерантности эквивалентно необходимости повышения тканевой температуры на 1—2°С для получения прежнего эффекта. В этом отношении воздействие повышенной температуры отличается от воздействия радиации — после облучения репарация сублетальных поражений приводит к восстановлению исходной радиорезистентности, а развитие термотолерантности — к ее возрастанию над исходным уровнем. Увеличение термотолерантности пропорционально температуре нагрева, однако только в диапазоне обратимо повреждающих воздействий.■
Рис 21.10. Зависимость гибели клеток китайского хомячка от pH среды приинкубации при 42°С (по Л. Гервику, 1977)
Причиной рассматриваемого феномена развития термотолерантности является синтез в клетке так называемых белков теплового шока. Эти белки всегда имеются в клетках, участвуя в их защите от различных неблагоприятных воздействий, но впервые были обнаружены в гипертермических экспериментах и потому получили такое название. В частности, эти белки участвуют и в радиационном восстановлении клеток, так что развитие термотолерантности приводит к уменьшению радиомодифицирующего эффекта гипертермии, что было показано Р. Бардоном в 1985 г. Обычно принимается, что термотолерантность возрастает в опухолях и нормальных тканях примерно одинаково. Эффект развития термотолерантности всегда учитывают при планировании курса терморадиотерапии, и сеансы гипертермии проводят не ежедневно, а 2—3 раза в неделю. Чаще используется прогрев опухоли не до, а после сеанса облучения.
Термочувствительность клеток значительно увеличивается при pH ниже 7,0 — величины, свойственной нормальным тканям. Это было наглядно проиллюстрировано Л. Гервиком (1977), изучившим выживаемость клеток китайского хомячка после прогрева при разных значениях pH (рис. 21.10). Между тем низкие pH характерны для злокачественных новообразований, так как являются следствием развития опухолевой гипоксии, заставляющей клетки переходить на гликолитический путь получения энергии, сопровождающийся их закислением вследствие образования молочной кислоты. Кроме того, еще Варбургом при изучении биохимии опухолей был открыт аэробный гликолиз — использование клет- 442
ками гликолитического, малоэффективного пути выработки АТФ в условиях хорошей оксигенации in vitro. Все это благоприятствует преимущественному повреждающему действию гипертермии на опухоли.
Зависимость эффекта гипертермии от pH создает реальную возможность дальнейшего избирательного увеличения термочувствительности опухолей с помощью искусственной гипергликемии. В обычных условиях потенциальная способность опухолей к гликолизу удовлетворяется не более чем на 10%, и поэтому опухоли отличаются более низким, чем нормальные ткани, содержанием глюкозы. При искусственном введении большого количества глюкозы в организм опухоль, используя свои резервные возможности, т. е. действуя, по выражению В.С. Шапота, как «ловушка» глюкозы, жадно потребляет ее, метаболизируя до молочной кислоты. Кроме того, в условиях гипергликемии происходит дополнительное ухудшение опухолевой микроциркуляции, что способствует удержанию в ней молочной кислоты и снижению pH до 6 и даже 5,5.
Еще ранние работы М. фон Арденне, воспроизведенные Н.Н. Александровым с сотрудниками, показали, что в условиях длительной (до суток и более) гипергликемии, когда содержание сахара в крови увеличивается в 3—4 раза выше нормы, происходит значительное снижение pH и усиление противоопухолевого действия гипертермии.
Весьма важные результаты были получены в нашей лаборатории при использовании кратковременной (1—2 ч) гипергликемии тотчас после облучения. При этом полагали, что вследствие вызываемого гипергликемией нарушения микроциркуляции будет усиливаться гипоксия и еще больше снижаться pH, что должно приводить к ингибированию пострадиационного восстановления опухолевых клеток.
Результаты соответствующих экспериментов на мышах с карциномой Эрлиха и крысах с саркомой-45 подтвердили такую возможность. При создании кратковременной (2 ч) гипергликемии (20—25 мМ глюкозы) до и особенно после облучения удается существенно повысить эффективность излечения животных.
Были изучены механизмы цитотоксического действия глюкозной нагрузки и условия, способствующие ее максимальному проявлению в сочетании с облучением.
Как показали В.В. Мещерикова и Е.А. Волошина, в основе обусловленного гипергликемией усиления противоопухолевого эффекта лежит резкое снижение жизнеспособности облученных
443
клеток, проявляющееся в виде массовой гибели в гипоксических зонах опухоли, наступающей уже в первые часы после воздействия. Эти данные нашли объяснение в модельных экспериментах Н.Л. Шмаковой и соавторов, изучавших зависимость усиления радиационного поражения клеток асцитного рака Эрлиха (при их инкубации с глюкозой) от степени оксигенации. Показано, что как цитотоксическое, так и радиомодифицирующее действие глюкозной нагрузки наиболее сильно выражено в аноксии (ФИД достигает 3,5 и более). Установлено, что решающая роль в летальном действии глюкозной нагрузки на опухолевые клетки принадлежит снижению внутриклеточного pH, которое в гипоксических условиях происходит значительно интенсивнее, чем в условиях хорошей оксигенации. В опытах на перевивных опухолях мышей, подвергнутых локальной гипертермии на фоне пострадиационной гипергликемии, С. В. Козину с соавторами (1984) удалось в 3-4 раза снизить дозы излучения, необходимые для получения аналогичного эффекта при самостоятельном облучении. Данные о массовой дегенерации опухолевой ткани, происходящей в условиях гипергликемии прежде всего в плохо снабжаемых кровью, а следовательно, гипоксических зонах опухолей животных и человека, получены в морфологических исследованиях Ю.П. Истомина и В.А. Фурманчука.
ОБЩАЯ ГИПЕРТЕРМИЯ
Существенное ограничение локальной гипертермии определяется уже ее названием, подчеркивающим отсутствие возможности ее применения при диссеминированных формах новообразований, требующих воздействия на отдаленные метастазы. Определенную перспективу в этом отношении представляет общая гипертермия, ограничения которой, в свою очередь, состоят в необходимости повышения переносимости организмом температурного максимума выше 42°С. До самого последнего времени преодоление этого барьера было невозможным, и поэтому общая гипертермия при температуре 41°С применялась с меньшим успехом при лечении ограниченного круга диссеминированных новообразований в сочетании с химиотерапией. В последние два года во многих центрах мира усиленно разрабатывались способы анестезии, позволяющие максимально повысить переносимость высокотемпературной гипертермии, учитывая вышеупомянутое резкое усиление клеточной термочувствительности при температурах, превышающих 42°С. Некоторыми центрами в 2000—2002 гг. 444
были опубликованы результаты анестезиологических исследований, в которых была достигнута вполне удовлетворительная переносимость в течение часа общего нагрева организма до 42,8°С. Наконец, в 2003 г. появилось сообщение новосибирских исследователей, сообщивших о разработанном ими методе анестезии, позволяющем поднять уровень толерантности организма к пребыванию человека в условиях 43—43,5°С.
В момент написания данной главы проводятся независимые исследования данного явления, при подтверждении которого можно ожидать существенное расширение возможностей его использования в онкологии.
ПРОТИВОЛУЧЕВАЯ ЗАЩИТА НОРМАЛЬНЫХ ТКАНЕЙ
ГИПОКСИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА
Альтернативой рассмотренным способам управления радиочувствительностью путем сенсибилизации опухолей является разработка методов преимущественного повышения радиорезистентности нормальных тканей с целью увеличения дозы облучения опухолевого очага. Один из таких методов — создание тканевой гипоксии или даже аноксии. Первые экспериментальные и клинические исследования такого подхода, направленные на повышение эффективности лечения опухолей конечностей — сарком мягких тканей и костей, были сделаны с использованием турникетной (жгутовой) гипоксии. Показано, что при наложении на конечность жгута рО2 в нормальных тканях быстро падает почти до нуля и таким образом выравнивается с напряжением кислорода в опухолях. Более того, оказалось, что в опухоли рО2 падает медленнее, чем в нормальных тканях, так что защитное действие (ФИД) турникета для опухоли составляло 1,5, а для кожи и костного мозга — 1,9—2,2. Это дало возможность вдвое повысить дозу облучения, что при меньшей защите опухоли способствовало улучшению результатов лечения. Широкому клиническому применению этого метода препятствуют неутешительные отдаленные результаты, так как опухоли, расположенные на конечностях (только эти опухоли можно облучать под жгутом), — саркомы костей или мягких тканей — имеют плохой прогноз из-за частого и раннего метастазирования.
Принципиальная возможность дифференцированного радиомодифицирующего действия острой гипоксии на нормальные и опухолевые ткани обусловила поиск способов использования это-
445
Рис. 21.11. Дозовые кривые 30-дневной гибели мышей при облучении на воздухе (5) и в газовых смесях с содержанием кислорода от 5 до 10%. ФИДы газовых смесей, определенные по соотношению ЛД5О/зо после облучения в гипоксии и на воздухе, равны:
для 10% О2 - 1,2; 8% О2 - 1,4; 6% О2 - 1,8 и 5% О2 - 2,3
го явления при лечении опухолей внутренних органов. Весьма интересны данные об использовании общей гипоксии, вызванной кратковременным вдыханием обедненных кислородом газовых смесей.
О радиозащитном действии общей газовой гипоксии известно более 50 лет. Впервые оно было отмечено в опытах Ф. Дэвика (1949), Г. Лимпероза и др. (1950), наблюдавших значительное повышение выживаемости мышей и крыс, подвергнутых тотальному облучению в среде с низким содержанием кислорода. Данные о дифференцированном действии турникетной гипоксии при облучении опухолей послужили предпосылкой к изучению возможности защиты нормальных тканей в условиях общей газовой гипоксии.
Проведенный в лаборатории авторов цикл исследований на животных с опухолями дал вполне обнадеживающие результаты применения экспериментальной гипоксирадиотерапии [Ярмо- ненко С.П., Вайнсон А.А., 1973—1981].
Общий характер модификации радиочувствительности организма экзогенной гипоксией в виде кривых 30-суточной гибели мышей при тотальном облучении на воздухе и в газовых смесях, содержащих 10, 8, 6 и 5% кислорода, прослеживается на рис. 21.11. 446
Время после начала облучения, суг абв
Рис. 21.12. Регрессия саркомы-37 мышей после трех фракций облучения в разовых дозах 12,5 Гр (с); 15,0 Гр (б) и 17,5 Гр (в).
/ — рост опухолей в контроле; 2—облучение в обычных условиях; 3 — облучение у животных, дышащих газовой смесью, содержащей 6% кислорода
ФИД исследованных газовых смесей при облучении животных с высокой мощностью дозы составляет соответственно ~1,2; 1,4—1,6; 1,8—2,0 и 2,5. ФИД смесей, содержащих 5—6% О2, для клеток костного мозга составлял 1,8—2,0, для кожи — 1,4—1,5.
В то же время при локальном облучении нескольких штаммов перевивных опухолей мышей в условиях общей газовой гипоксии, вызванной смесями, содержащими 6% О2, защита опухолей по ФИД не превышала 1,15, либо отсутствовала, а в части экспериментов наблюдалось небольшое усиление регрессии опухолей. Данные одного из таких экспериментов показали, что при локальном фракционированном рентгеновском облучении (мощность дозы 10 Гр/мин) саркомы-37 у мышей, вдыхавших в течение 2—3 мин до и в процессе облучения газовую смесь, опухоли регрессировали раньше, а рецидивы возникали позднее и с меньшей частотой, чем при облучении на воздухе (рис. 21.12).
Механизм этого парадоксального явления — усиления лучевого поражения опухоли в условиях гипоксии — по сравнению с облучением ее на воздухе, пока не определен. По мнению С.П. Ярмо- ненко, гипоксические клетки опухолей, адаптированные к недостатку кислорода, слабее реагируют на модифицирующее действие дополнительной острой гипоксии по сравнению с хорошо оксигенированными нормальными тканями. В его лаборатории ослабление защитного действия острой гипоксии на самые разнообразные 447
биологические объекты (изолированные клетки, ткани, организм), адаптированные к условиям длительной кислородной недостаточности, показано в многочисленных работах ВТ. Оваки- мова, Н.Л. Шмаковой, В.В. Мещериковой, А.Л. Выгодской, Н.П. Винской, Е.А. Волошиной и Б.В. Иве.
Полученные данные объясняют преимущественноерадиозащит- ное действие газовой гипоксии на нормальные хорошо оксигенированные ткани. В результате создаются условия, благоприятствующие проявлению влияния ряда организменных факторов, опосредованно способствующих дезактивации опухоли и даже ее усиленной регрессии.
Феномен избирательной защиты нормальных тканей при облучении опухолей в условиях газовой гипоксии, наблюдавшийся также в работах Р.Б. Стрелкова, позволил разработать метод гипоксирадиотерапии опухолей человека, в настоящее время применяемый в Российском онкологическом научном центре, а также за рубежом. Опыт гипоксирадиотерапии больных с использованием газовых смесей, содержащих 9—10% О2, и повышенных доз излучения составляет около 2000 наблюдений. Более того, установлено, что около 70% онкологических больных в состоянии физического покоя удовлетворительно переносят 15—20-минутное дыхание смесью, содержащей всего 8% О2. Клинические испытания с такой «жесткой» смесью, проведенные на Украине и в Чехии при предоперационной гипоксирадиотерапии рака желудка и опухолей толстого кишечника, свидетельствуют о значительном ослаблении побочных реакций и улучшении отдаленных результатов [Хворостенко М.И. и др., 1986; Тачев Т. и др., 2002].
ХИМИЧЕСКИЕ РАДИОПРОТЕКТОРЫ
Условием применения радиопротекторов при лучевой терапии является избирательность их накопления в критических нормальных тканях или локальное создание в соответствующих органах состояния гипоксии. Именно отсутствие такой избирательности служит препятствием для широкого применения протекторов в клинике. Вместе с тем в отдельных случаях удается найти путь к избирательному воздействию препаратов, что позволяет улучшить результаты лечения. Наибольшее количество работ в этом плане проведено с 2,3-аминопропиламиноэтилтиофосфатом, известным в нашей стране как гаммафос, а в США — как WR-2721. Интерес к этому соединению в плане использования в онкологии появился после сообщения Дж. Юхаса и Д. Сторера о том, что этот 448
препарат, оказывая выраженный защитный эффект при общем облучении мышей (ФИД по выживаемости ~ 2,6), почти не влияет на лучевое поражение перевивной карциномы молочных желез (ФИД =1,15). Позднее в экспериментах на животных с индуцированными уретаном опухолями легких было установлено, что введение WR-2721 непосредственно перед облучением не дает защиты опухолевой ткани, повышая в 2—3 раза радиорезистентность кожи, костного мозга и кишечного эпителия. При введении препарата за 90 мин до облучения наблюдалась существенная защита опухоли. Это, по мнению Дж. Юхаса, показывало, что селективное действие препарата связано с различной динамикой его поступления в клетки нормальных и опухолевых тканей.
Избирательная защита нормальных тканей с помощью гамма- фоса была показана в нашей лаборатории А.Л. Выгодской при локальном облучении солидной карциномы Эрлиха мышей. При внутрибрюшинном введении гаммафоса в дозе 1 ммоль/кг за 15 мин до облучения регрессия опухоли, как правило, не ослаблялась, а в некоторых опытах даже усиливалась, как это имело место при гипоксирадиотерапии. Учитывая собственные данные о распределении Зз8-цистафоса (аналога гаммафоса),можно сказать, что вполне возможно, что при таком небольшом интервале времени между введением препарата и облучением гаммафос еще не успевает накопиться в клетках опухоли в необходимой концентрации.
Данные такого рода послужили основанием для выпуска лекарственной формы препарата «этиофос», с которой проведено большое число экспериментальных и клинических исследований возможности снижения тяжести побочного действия лучевой и химиотерапии. Результаты этих исследований показали, что этиофос, безусловно, оказывает защитное действие на нормальные ткани, однако вопрос об отсутствии защиты опухоли остается открытым. К практическому применению этого препарата пока относятся осторожно. Однако возможность избирательной защиты используется в условиях его локального применения. Показано, что при лечении опухолей головы и шеи аппликация этиофоса на слизистые значительно снижает их лучевые реакции.
РАДИОМОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕХИМИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ
При лечении многих онкологических заболеваний используется комплексная терапия, под которой понимают сочетанное применение облучения и химиотерапевтических препаратов. Облуче-
449
ние используется для подавления роста основной опухоли, лекарственная терапия — для борьбы с метастазами. Грамотное применение комплексной терапии нуждается в знании того, каким является ответ опухоли и нормальных тканей на воздействие двух агентов. Ответ может быть меньше, чем сумма эффектов от каждого из них, равным ему или большим. В первом случае комбинированное действие называют субаддитивным, во втором — аддитивным или независимым, в последнем — синергизмом, супрааддитивным или потенцированием. Для алкилирующих препаратов (BCNU, CCNU), механизм действия которых близок к ионизирующей радиации, характерным является аддитивный эффект. Препараты платины (цисплатин, оксоплатин, карбоплатин), как и ионизирующая радиация, индуцируют одиночные разрывы ДНК, взаимодействие которых приводит к образованию более значимых для клетки двойных разрывов. Действие радиации с этими препаратами является супрааддитивным. Супрааддитивным является и взаимодействие радиации с антиметаболитами — аналогами предшественников ДНК, подавляющими ее синтез и репарацию (5-фторурацилом, бром- и йодуридиндезоксирибозидами), и оксимочевиной, также подавляющей синтез и репарацию ДНК, но уже посредством ингибирования синтеза нормальных предшественников.
Важным примером супрааддитивного действия лекарственного агента и облучения является противоопухолевый антибиотик митомицин С. Цитотоксический эффект этого препарата увеличивается по мере снижения рО2, так что он является хорошим средством борьбы с гипоксическими опухолевыми клетками. Супрааддитивность, таким образом, обеспечивается удалением из опухоли части особо радиорезистентных клеток.
Радиобиологические основы использованияв лучевой терапии тяжелых ядерных частиц
К тяжелым ядерным частицам, используемым для лечения опухолей, относятся протоны, тяжелые ионы, отрицательные л-мезоны и нейтроны разных энергий. Создаваемые на ускорителях пучки тяжелых заряженных частиц имеют малое боковое рассеяние, что дает возможность формировать дозные поля с четким контуром по границам опухоли. Так как все частицы имеют одинаковую энергию и соответственно глубину проникновения в ткань, 450
Глубина пробега в оргстекле, мм
Рис. 21.13. Увеличение поглощенной дозы в конце пробега протонов с энергией 100 МэВ
это позволяет меньше облучать нормальные ткани, находящиеся по ходу пучка за пределами опухоли. Более того, у заряженных тяжелых частиц линейные потери энергии увеличиваются в конце пробега, так что создаваемая ими физическая доза не уменьшается с глубиной ткани, как в случае редкоионизирующих излучений, а возрастает. Увеличение поглощенной в тканях дозы излучения в конце пробега носит название пика Брэгга (рис. 21.13).
Использование на пути частиц так называемых гребенчатых фильтров, или плавное изменение во время облучения энергии частиц, позволяет расширить пик Брэгга до размеров опухолевого очага. На рис. 21.14 приведены результаты оценки глубинного распределения дозы, создаваемого разными видами радиации, при облучении опухоли диаметром 4 см, располагающейся в теле на глубине 8—12 см. Все кривые проведены так, что относительная доза, равная единице, приходится на середину опухоли (10 см от поверхности тела). При у- и нейтронном облучении доза на входе пучка (т. е. в нормальных тканях) вдвое превышает дозу в центре опухоли, причем облучение здоровых тканей идет и после прохождения пучка через злокачественный очаг. Иная картина наблюдается при использовании тяжелых заряженных частиц: ускоренные протоны и ионы, в данном случае ионы углерода, а также отрицательные л-мезоны, как видно из рисунка, основную дозу передают именно опухоли, а не нормальным тканям (доза, поглощаемая в опухоли, выше, чем доза, поглощаемая в нормальных тканях, расположенных по ходу пучка как до, так и после новообразования).
Рис. 21.14. Пространственное распределение поглощенной дозы излучений разных видов (по К. Тобайсу, 1971, с добавлениями):
применение специальных пластинчатых фильтров позволяет расширить пик Брэгга до нужного размера, что сопровождается, однако, его снижением
Кроме того, при торможении тяжелых заряженных частиц возрастает их Л ПЭ, что приводит к дополнительному увеличению эффективности в зоне пика Брэгга вследствие возрастания ОБЭ (см. гл. 10).
Применение быстрых протонов основано только на их хорошем дозном распределении по глубине тела, быстрых нейтронов — только на высокой ЛПЭ, при которой уменьшается защитное действие опухолевой гипоксии, а ускоренных тяжелых ионов и л-мезонов — на хорошем пространственном распределении поглощенной дозы и высокой ЛПЭ.
Корпускулярную терапию ( облучение ускоренными протонами, ионами гелия и углерода) в мире прошли более 20 000 человек. Основным показанием для нее является расположение опухоли вблизи от «критических» тканей, поражение которых наносит особенно большой ущерб здоровью: в глазном яблоке (хороидальная меланома), рядом со спинным мозгом, в тканях головного мозга и рядом с радиочувствительными органами малого таза. Пучки ионов углерода, ускоренные до энергии 250 МэВ на нуклон и имеющие ЛПЭ в ткани около ЮОкэВ/мкм, позволили улучшить результаты лечения такого распространенного вида новообразований, как рак легких.
Использование быстрых нейтронов (14 МэВ) основано не на создании хорошего дозного распределения между опухолью и нормальными тканями, а на высокой ЛПЭ (100 кэВ/мкм). Благодаря этому действие нейтронов характеризуется меньшей величиной гипоксической защиты, а также сниженной эффективностью репарации опухолевых клеток, особенно дифференцированных клеток. Нейтроны оказались наиболее эффективными при лечении нескольких видов медленно растущих опухолей, таких как рак простаты, саркомы мягких тканей, рак слюнных желез.
В последние годы увеличивается интерес к нейтронзахватной терапии, при которой используются тепловые и эпитепловые нейтроны, имеющие энергию соответственно 0,025 эВ и 1 эВ- 10 кэВ. Эти нейтроны образуются в атомных реакторах и по отдельным каналам выводятся в расположенные с реакторами процедурные помещения. Тепловые нейтроны избирательно захватываются атомами 10В и l57Gd. При захвате теплового нейтрона атомом бора происходит его распад на атомы лития и а-частицы, пробег которых в ткани равен нескольким клеточным диаметрам. Таким образом, зона интенсивного воздействия излучения с высокой ЛПЭ ограничивается только клетками с высоким содержанием бора. Гадолиний-157, доля которого в природном гадолинии составляет 16 %, обладает особенно большим сечением захвата нейтронов. При распаде ядра 157Gd вылетает у-квант и образуются электроны Оже и электроны конверсии с длиной пробега в ткани 40—60 мкм. Электроны Оже имеют очень короткий пробег, чтобы они вызвали поражение клетки, гадолиний должен находиться в ней самой. Имеющиеся соединения гадолиния в клетку не проникают, поэтому основной биологический эффект производят электроны конверсии, образующиеся при распаде атомов гадолиния, находящихся в межклеточном пространстве.
Для нейтронзахватной терапии необходимо обеспечить доставку °В или 157Gd непосредственно в опухоль, хотя бы и в межклеточное пространство. Избирательности между опухолью и нормальными тканями удается пока достичь только в отдельных случаях. К таковым относится накопление 10В-фенилаланина в меланомах, которое происходит благодаря тому, что борфенилаланин необходим для синтеза меланина. Этот же препарат, а также соединение, известное как l0BSH (Ка2В12Ни5Н)лотносительно избирательно накапливается в опухолях головного мозга. Такая избирательность обеспечивается тем обстоятельством, что опухоли в отличие от нормальных тканей мозга не имеют так называемого гематоэнцефалического барьера, препятствующего поступлению
ксенобиотиков (чуждых организму соединений) в ткани головного мозга.
В настоящее время синтезируются новые виды носителей бора и гадолиния, примером которых может служить отечественный препарат дипентаст на основе гадолиния (препарат применяется и при магнитно-резонансной томографии). Большие надежды возлагаются на использование липосом для доставки этих препаратов. Успех будет обеспечен, если удастся достигнуть 3—4-кратного превышения содержания бора или гадолиния в опухоли над окружающими нормальными тканями.
Трудность в использовании метода нейтронзахватной терапии состоит также в очень коротком пробеге тепловых нейтронов в ткани: половина из них поглощается на первых 15 мм пути. Поэтому для облучения опухолей головного мозга приходится вскрывать черепную коробку, следовательно, операционные комнаты должны располагаться непосредственно в здании реактора. Несколько увеличить глубину облучения можно с помощью эпитепловых нейтронов, которые не захватываются бором или гадолинием, но после торможения в ткани в результате столкновения с ядрами водорода превращаются в тепловые нейтроны, которые, в свою очередь, и будут захватываться указанными элементами. С помощью смешанных пучков эпитепловых и тепловых нейтронов можно получить довольно равномерное пространственное распределение тепловых нейтронов на расстоянии до 3 см по ходу пучка.
Предполагается, что большое локальное энерговыделение, затрагивающее всего несколько клеток, может оказаться полезным в различных областях медицины, в связи с чем метод нейтронзахватной терапии развивается в США, Японии и странах Европы. В России такие исследования проводятся на реакторах Московского инженерно-физического института и Института атомной энергии им. Курчатова.
Реакция опухоли и нормальных тканейна облучение
К началу лучевой терапии опухоли содержат миллиарды клеток, так как их объем при обращении человека к врачу уже измеряется несколькими кубическими сантиметрами. Часть клеток находится в пролиферативном пуле (так называемая фракция роста), часть находится вне его (так называемые покоящиеся клетки). Среди причин выхода клеток из пролиферативного пула называют 454
нехватку кислорода и питательных веществ, а также исходно свойственное дифференцированным клеткам (составляющим в ряде новообразований значительную долю популяции) пребывание в периоде покоя (стадии G0Y
Разные виды опухолей значительно различаются по фракции роста, к тому же новообразованиям одного и того же гистогенеза свойственна большая индивидуальная вариабельность по этому параметру. Например, по данным И.И. Пелевиной и соавторов, фракция пролиферирующих клеток перевивной опухоли мышей NKLy/LL варьирует в диапазоне 25—80%. В большом диапазоне меняется этот показатель и в опухолях человека.
Скорость опухолевого роста определяется не только длительностью клеточного цикла и величиной фракции роста, но и долей постоянно погибающих и удаляемых из опухоли клеток, оцениваемой «фактором спонтанной утери клеток». Он отражает судьбу одной из двух клеток, образующихся при делении (вторая при этом рассматривается как исходная «материнская» клетка). Величина фактора утери в разных опухолях значительно варьирует — от 0,3 до 0,99; в последнем случае это означает, что жизнеспособное «потомство» в опухоли дает не более 1% клеток.
В нормальных тканях, оказавшихся в зоне облучения, также имеются клетки на разных стадиях цикла, причем соотношение пролиферирующих и покоящихся клеток принципиально различается в рано- и позднореагирующих органах.
Глубина поражения клеток опухоли и нормальных тканей после однократного облучения определяется их исходной радиочувствительностью, а при фракционированном воздействии — еще и эффективностью восстановления от сублетальных поражений. Если перерыв до второй фракции облучения составляет шесть и более часов, то можно ожидать практически полной реализации восстановительного потенциала данного вида клеток. Одновременно с восстановлением у некоторых видов клеток индуцируется процесс апоптотической смерти. Так, клетки лимфоидного происхождения начинают погибать уже в первые сутки после воздействия. Гибель летально пораженных клеток иного происхождения, как опухолевых, так и клеток здоровых тканей, растягивается на несколько дней и происходит как во время очередного деления, так и спустя несколько часов после него. Клетки опухолей, находящиеся вне цикла, так же как и покоящиеся клетки нормальных тканей, в течение определенного времени могут не проявлять признаков летального поражения.
Рис. 21.15. Регрессия рабдомиосаркомы крыс (а) и изменение фракции клоногенных клеток (б) после однократного рентгеновского облучения в дозе
20 Гр. (по Г. Барендсену, 1969):
стрелкой показан момент облучения; объяснения см. в тексте
Непосредственно после облучения большинство опухолей продолжает рост даже при использовании большой дозы, составляющей несколько грей, которая впоследствии приведет к гибели значительной части клеток. Происходит это из-за деления клеток, сохранивших жизнеспособность, а также нескольких делений даже «летально» пораженных клеток. В некоторых случаях свой вклад в увеличение объема вносит и отек, сопровождающий начальные стадии удаления погибающих клеток.
Одно из первых и весьма полных исследований влияния облучения на разные субпопуляции опухолевых клеток выполнено Г. Барендсеном на примере рабдомиосаркомы крыс. Как видно из рис. 21.15, при однократном облучении в дозе 20 Гр погибает 99% клоногенных клеток, однако объем опухоли в первые четверо суток не только не уменьшается, но даже несколько возрастает и 456
лишь в период 6—14 дней становится на 30% меньше исходного (кривая 2, сравните с кривой 1 — ростом опухоли в контроле, без облучения). Такое несоответствие количества погибших клоногенных клеток со степенью уменьшения объема опухоли связано в первую очередь с продолжающимся делением клеток, хотя и летально пораженных, но временно сохраняющих способность к пролиферации; они погибают в процессе последующих 2—5 актов деления (см. гл. 7). Наблюдающееся уже сразу после облучения некоторое замедление роста опухоли связано не столько с гибелью и распадом клеток, сколько с задержкой деления, которая в данном случае составляет около 30 ч (1,5 ч на 1 Гр). Отсутствие резкого уменьшения объема опухоли связано и с медленным удалением погибших клеток, продолжающимся иногда в течение нескольких суток. Через 4—6 сут после облучения опухоль начинает уменьшаться, хотя к этому времени становится интенсивным размножение опухолевых клеток, что видно из сопоставления роста фракции клоногенных клеток (см. рис. 21.15, О и размеров опухоли (рис. 21.15, а).Именно на этот период приходится гибель и удаление пораженных клеток. Авторадиографические исследования показали рост фактора утраты клеток с 0,62 в контрольной, необлу- ченной опухоли, до 1,37, т. е. гибель клеток превышала их новообразование. К 8-м сут гибель клеток заканчивается, и далее рост опухоли определяется только скоростью размножения жизнеспособных клеток. Размеры опухоли полностью восстанавливаются к 12-м сут после облучения, за это время происходит 100-кратное увеличение числа клоногенных клеток. Такая скорость размножения (пунктирная кривая 2') примерно соответствует скорости размножения клеток опухолей значительно меньшего размера (кривая 7, до облучения). Пролиферативный пул достигает в этот период 100%. Ускорение роста в период «дорастания» после облучения наблюдается и на опухолях человека.
Поданным Г. ван Пеперзеель, изучавшей популяционную кинетику подкожных трансплантантов у мышей до и после облучения в дозах 2—3 Гр, через 2 сут после воздействия пролиферативный пул возрастал с 87 до 100%, фактор утраты клеток уменьшался с 0,33 до 0,1, а клеточный цикл укорачивался с 14,5 до 11 ч. Сокращение длительности цикла наблюдается не во всех случаях, оно не обнаружено, в частности, у фибросаркомы NCTC мышей.
Сразу после лучевого воздействия в опухоли вырастет доля относительно резистентных клеток, находившихся в момент воздействия в состоянии гипоксии, а среди оксигенированных кле-
457
ток — находившихся в наиболее радиорезистентной части генерационного цикла.
При получении стандартного курса лучевой терапии, когда фракции подводятся с интервалом в 24 ч, к моменту очередного облучения клетки проходят следующие процессы. Радиорезистентность и опухолевых, и здоровых клеток, с одной стороны, повышается благодаря восстановлению от потенциально летальных и сублетальных поражений, а с другой — понижается, так как одновременно клетки возобновляют продвижение по циклу и переходят из наиболее радиорезистентной стадии в более радиочувствительные. Удаление погибающих клеток способствует лучшей оксигенации оставшихся и постепенному уменьшению доли ра- диорезистентных гипоксических клеток. Этот процесс носит название реоксигенации. Преимущественная утеря клоногенной способности оксигенированными клетками приводит к росту в популяции доли гипоксических клеток, которые с течением времени «реоксигенируются» за счет уменьшения конкуренции клеток за циркулирующий кислород.
Эти процессы воспроизводятся после каждой фракции, и через некоторое время после начала курса клеточная гибель начинает превышать рождение новых клеток, опухоль уменьшается в объеме, а в быстрообновляющихся популяциях здоровых клеток их дефицит начинает проявляться в виде лучевых реакций.
По мере продолжения курса облучения наступает момент ускоренной репопуляции опухоли и клеток быстрореагирующих нормальных тканей. Все большая доля опухолевых клеток, сохраняющих свой клоногенный потенциал, начинает получать достаточное для деления количество питательных веществ и кислорода. Это приводит к возрастанию величины фракции роста и уменьшению фактора спонтанной гибели (утери) клеток, соотношение которых в конкретных опухолях и определяет реакцию на облучение.
При фракционированном облучении особенно важно знать скорость репопуляции опухолей, так как в случае сильного дробления дозы незначительное увеличение интервала между фракциями может привести к возникновению динамического равновесия, при котором степень подавления роста опухоли на единицу дозы будет падать. Г. Барендсен и Д. Броэрс (1970) установили, что при ежедневном облучении рабдомиосаркомы крыс в дозе 4 Гр в течение 1 мес опухоль размером 1 см3 удается излечить, в то время как двухмесячный курс облучения по 2 Гр/сут не дает эффекта: ди- 458
Суммарная доза излучения, отн. ед.
Рис. 21.16. Схематическое изображение зависимости излечения опухоли (7) и возникновения лучевых повреждений (2) от суммарной очаговой дозы (стрелкой обозначен терапевтический интервал)
намическое равновесие между гибелью и размножением клеток наступает уже после 10 фракций.
Наряду с ускорением репопуляции опухолей включение системы клеточного гомеостаза приводит к ускоренной репопуляции быстрообновляющихся нормальных тканей, в частности, кожи и слизистой органов пищеварительной и дыхательной систем. Напротив, позднореагирующие ткани во время курса фракционированного облучения не проявляют признаков лучевого поражения, однако у них постоянно увеличивается число клеток паренхимы (клеток, выполняющих функции соответствующего органа) и клеток эндотелия сосудистой сети, которые окажутся неспособными к делению при поступлении соответствующего сигнала.
Успех лучевой терапии определяется возможностью достижения полной стерилизации опухолевых клеток при сохранении допустимого уровня поражения нормальных тканей. Под допустимым уровнем обычно понимается то, что поражения, вызывающие обеспокоенность врачей, но не влияющие на жизнь больного, возникают не более чем у 5% больных. Если бы таких поражений совсем не было, а у части больных при этом не было достигнуто излечение, то возник бы вопрос, почему к опухоли не подведена необходимая доза радиации.
Схема, иллюстрирующая связь с дозой излучения двух эффектов — излечения опухоли и поражения нормальных тканей, представлена на рис. 21.16. Кривые доза—эффект в обоих случаях имеют характерный для вероятностных процессов S-образный вид,
459
причем верхняя часть кривых более растянута и более полога. В отношении излечения опухолей такая форма кривой свидетельствует о быстром нарастании эффекта в области сравнительно низких и средних доз и о гораздо более медленном повышении эффективности лучевой терапии по мере приближения к 100%. Положение и крутизна кривой 7, описывающей зависимость процента излеченных опухолей от очаговой дозы, определяются радиочувствительностью опухолевых клеток и объемами новообразований. Положение кривой 2, характеризующей лучевые осложнения, также зависит от радиочувствительности нормальных тканей и облучаемого объема, а динамика их развития — от кинетики клеточных популяций рассматриваемого органа.
Ранние лучевые реакции и поздниепоражения нормальных тканей
Вопросы радиочувствительности и динамика развития лучевых реакций отдельных органов и тканей подробно рассмотрены ранее в гл. 12, здесь о них будет говориться только в конкретном приложении к условиям лучевой терапии.
Ранними лучевыми реакциями называются повреждения, возникающие в первые недели после однократного воздействия в больших дозах, а при фракционированном воздействии — непосредственно во время курса облучения или вскоре после его окончания. К поздним лучевым осложнениям относят поражения, проявляющиеся не ранее чем через несколько месяцев после окончания лучевой терапии.
Ранние лучевые реакции возникают в тканях с быстрым клеточным обновлением, к которым относятся костный мозг, эпителий кишечника и сперматогенный эпителий. Поздние лучевые поражения представляют проблему при облучении почек, печени, легких, ЦНС, мышц и костей. Эндотелий сосудов занимает промежуточное положение, а динамика развития его лучевого поражения важна для всех без исключения тканей. Кожа с подкожной клетчаткой включают множество структурных элементов и, являясь классическими объектами для изучения ранних лучевых реакций, в поздние сроки страдают от развития лучевого фиброза.
Дополнительно к сказанному в гл. 12 напомним, что системы быстрого клеточного обновления построены по иерархическому принципу и включают стволовые клетки, клетки пролифератив- 460
Рис. 21.17. Динамика нарастания и спада лучевых реакций кожи стопы мышей после однократного облучения:
0,5 отн. ед. — начало покраснения кожи, сильное изрежение шерстного покрова;
1 отн. ед. — явное покраснение, небольшой отек, сухой эпидермит по краю стопы;
1,6 отн. ед. — нарушение целостности кожи, значительный сухой эпидермит во время нарастания реакции и полное отсутствие шерстного покрова, влажный эпидермит и слипание нескольких пальцев на пике и в начале спада реакций
ноусиливающего пула и функционирующие клетки. Стволовые клетки способны к постоянному делению и характеризуются системой особого контроля, предотвращающего их переход в проли- феративноусиливающий пул при значительном истощении своего пула. В пролиферативноусиливающем пуле происходит как размножение клеток, так и их дифференцировка. Функциональные клетки обычно уже не делятся, так что их лучевое поражение не проявляется, и они погибают естественным путем (например, слущиваются с ворсинки кишечника) независимо от дозы излучения.
При облучении прежде всего погибают стволовые клетки и клетки пролиферативноусиливающего пула, что не дает возобновляться пулу функционирующих клеток. Лучевые повреждения начнут проявляться только после естественной гибели функциональных клеток, и этот момент определяется не столько дозой излучения, сколько кинетикой соответствующей клеточной популяции. Однако тяжесть и длительность лучевых реакций будут пропорциональны дозе облучения, поскольку она определяет глубину истощения пула стволовых клеток. Примером может служить динамика лучевых реакций кожи стопы мышей, подвергнутых локальному рентгеновскому воздействию (рис. 21.17). Однократное локальное облучение конечности проведено с использованием од-
ной из 4 доз, каждая из которых была больше другой примерно в 1,2 раза. По принятой условной шкале тяжести реакций последствия облучения в дозе 30 Гр были значительно больше, чем в дозе 17 Гр. Если максимальная реакция в первом случае составляла 1,6 отн. ед. (отек, влажный эпидермит), то во втором — только 0,2 (легкое покраснение). При таком большом отличии в тяжести реакции их спад до нормы наступал практически одновременно — на 35—38-й день после облучения. Время появления лучевых реакций различалось несколько больше, составляя около 7 дней при максимальной (из использованных) дозе и 13 дней при минимальной, но эти различия гораздо меньше, чем различия в тяжести реакции. Описанная динамика лучевого поражения кожи, включающая период быстрого нарастания реакции с последующим спадом до уровня контроля, характерна для всех быстропролиферирую- щих тканей. Обычно в восстановлении таких тканей участвуют как стволовые клетки, сохранившиеся в облучаемом объеме, так и клетки из соседних участков, как правило, способные медленно мигрировать в сторону очага поражения.
Системы медленного клеточного обновления представляют собой однородную популяцию функционирующих, редко делящихся клеток. Лучевые поражения, обусловленные утерей паренхиматозных клеток, наступают значительно позже и в отличие от ранних реакций с течением времени не уменьшаются, а увеличиваются, или, в лучшем случае, стабилизируются. В развитии поражения играет роль гибель как паренхиматозных клеток органа, так и поражение эндотелия его сосудов. Клетки эндотелия теряют способность к пролиферации, происходит запустевание капилляров, рост новых сосудов угнетается. К этому добавляется повреждение лимфатических сосудов. Общее поражение питающей ткань сосудистой сети приводит к развитию лучевого фиброза и лучевой язвы. Практически необратимый характер развития лучевых осложнений в этом случае и является одной из причин того, что ранние осложнения, уменьшающиеся со временем, принято называть лучевыми реакциями, а поздние — лучевыми поражениями.
Радиобиологические исследования двух последних десятилетий выявили важное промежуточное звено развития отдаленной лучевой патологии — выделение клетками цитокинов еще во время курса лучевой терапии. Цитокины участвуют в развитии воспалительных реакций и последующего фиброза. Установлена роль двух трансформирующих факторов роста — интерлейкина 1а и 462
фактора некроза опухолей — в развитии лучевого фиброза. Эти данные позволили разработать методы уменьшения продукции цитокинов, благодаря чему удалось снизить тяжесть лучевого пневмонита и фиброза у облученных мышей.
При больших дозах облучения и стволовые клетки быстрооб- новляющихся тканей частично теряют свой пролиферативный потенциал, вероятно, по причине ограниченности числа делений, отпущенной природой нормальным клеткам. Этот потенциал исчерпывается при необходимости восполнения значительных клеточных потерь. Следствием является меньшая устойчивость ткани к повторному облучению в больших дозах, необходимость которого появляется, например, при рецидивировании опухоли. Менее устойчивы облученные ткани и к травматическому поражению. Однако степень снижения толерантности отличается значительной индивидуальной вариабельностью, имеются примеры даже успешного проведения и повторного курса лучевой терапии.
Толерантность нормальных тканейпри различном фракционировании дозы
Накопленный в мире опыт лечения опухолей дает хорошее представление об уровне толерантности нормальных тканей при наиболее широко применяемых курсах лучевой терапии с ежедневным подведением к опухолевому очагу дозы 2 Гр, суммарной очаговой дозе 60 Гр и общей длительности курса 6 недель. Получены поправки на снижение толерантности при увеличении объема облучаемой ткани. Клинические испытания новых режимов фракционирования поставили также вопрос о возможности оценки изменения толерантных доз при варьировании трех показателей: разовой очаговой дозы, длительности перерыва между фракциями и общей продолжительности курса. Казалось бы, обширный клинический материал позволял определить влияние каждого из этих факторов для разных тканей, однако надежных методов таких расчетов не создано и по настоящее время, несмотря на множество работ в данной области. Вместе с тем анализ литературных данных и эксперименты с локальным облучением животных, допускающие (с учетом этических ограничений) превышение уровня толерантности, а потому его точное определение, позволили дать приблизительную оценку влияния перечисленных параметров курса лучевой терапии на последствия для нормальных тканей.
В странах СНГ традиционно используется разработанная С. Ортоном и Ф.Эллисом концепция ВДФ, позволяющая рассчитать уровень поражения ткани относительно «толерантного» уровня при изменении общего времени курса, разовой дозы и числа фракций. В этой концепции принимается, что при стандартном курсе лучевой терапии происходит достижение уровня толерантности без его превышения, а «биологическая доза», равная уровню толерантности, называется ВДФ. «Биологическая доза», характеризующая степень поражения ткани, рассчитывается, исходя из физической дозы путем введения поправок: а) на восстановление клеток между фракциями (практически, это поправки на восстановление клеток от сублетальных поражений, описанное в гл. 8) и б) на восстановление клеточной популяции, т.е. деление клеток, проходящее в течение курса лучевой терапии.
Физическая разовая доза dпревращается в биологическую дозу ее возведением в степень 1,538, а поправка на восстановление клеточной популяции в течение курса облучения вносится возведением в степень 0,169 времени в днях (х), приходящихся в среднем на одну фракцию курса. Смысл этих поправок состоит как бы в подсчете величины толерантной дозы для условий однократного облучения, с которыми можно будет сравнивать различные режимы фракционирования. Расчеты традиционно ведутся в сантигреях.
ВДФ = х-°’169^-538л.
Длительность стандартного курса лучевой терапии из 30 фракций принята равной 39 дням (за счет перерыва на субботу и воскресенье). Таким образом, на одну фракцию приходится 1,3 дня. ВДФ = 1,3"0’169 • 2001,538 • 30 = 99277. Для удобства пользования это число уменьшено в 1000 раз и округлено до 100. Величина ВДФ, равная 100, принята за уровень толерантности «нормальной ткани».
Коэффициенты у х и d должны быть определены отдельно для каждой ткани,так как варьируют в широких пределах. Широко варьирует и рассчитанная величина ВДФ. Знание коэффициентов х и d позволяет сравнивать два режима облучения и без привязки их к ВДФ. Если один режим облучения приводит к достижению, но не превышению толерантного уровня, то для другого режима может быть, например, определено число фракций (в конечном итоге, суммарная очаговая доза), при котором он будет приводить к такому же поражению нормальных тканей. Покажем это на при- 464
мере отдаленной энцефалопатии при попадании в зону воздействия спинного мозга, приведя коэффициенты для х и d. Два режима, обозначенные как 1 и 2, будут эквивалентны в этом плане, когда при изменении разовой дозы d и числа фракций п будет сохраняться равенство
nxdx хх = n2d2 х2 .
Использование представлений о равноэффективных (в плане лучевых осложнений) режимах облучения предполагает получение собственных коэффициентов для каждой ткани и критерия поражения, а также учет облучаемого объема. Но и в этих условиях сравнению подлежат режимы облучения, относительно близкие по величине разовой дозы и интервалам между фракциями.
Расчеты по формулам ВДФ или им аналогичным позволяют определить число фракций данной разовой дозы, которые можно подвести к опухоли, не превысив толерантности нормальных тканей, являющихся «критическими», наиболее радиочувствительными при данной локализации новообразований. Но использование концепции ВДФ не дает представления о том, в каком направлении надо модифицировать режимы фракционирования для расширения терапевтического интервала. Некоторое указание на это дает использование линейно-квадратичной, или а, p-модели поражения клеток опухоли и нормальных тканей, которая рассматривалась в гл. 7. Напомним, что эта модель предполагает участие в гибели клеток поражений, линейно зависящих от дозы излучения, и поражений, линейно нарастающих с квадратом дозы, а именно, что фракция выживших клеток N/NQ связана с дозой излучения соотношением
— = е~а°-р°2(см. гл. 7).
Оказалось, что разные ткани характеризуются разной величиной отношения а/p, численно равной дозе в греях, при которой линейный компонент зависимости выживаемости клеток от дозы излучения равен квадратичному компоненту. Определить отдельно величину аир для клеток в составе ткани in vivo невозможно, но можно оценить величину а/p, если в эксперименте удается подобрать два равноэффективных (по определенному показателю) режима фракционирования, а именно:
a _ n^d^ -n-^P n^-nxdv ’
где n — число фракций, a d — разовая доза равноэффективных режимов.
Оказалось, что ранореагирующие ткани имеют а/p, равное 6— 15 Гр, а позднореагирующие — 1 —6 Гр. Меньшая величина а/р указывает, что у тканей с низким уровнем пролиферации член р играет большую роль, чем у тканей с клетками в генерационном цикле, что, в свою очередь, свидетельствует о большей роли взаимодействия двух поражений в гибели клеток, а значит, и о большем потенциальном объеме восстановления клеток в перерыве между фракциями. Опухолевая ткань относится к быстро пролиферирующим.
Учитывая это обстоятельство, в лучевой терапии было предложено отдать преимущество использованию небольших разовых доз и увеличению числа фракций с целью снижения тяжести поздних лучевых осложнений. Если тяжесть осложнений находилась на приемлемом уровне, использование меньших фракций позволяет усилить воздействие за счет подведения в день двух фракций, что называется режимом мультифракционированного облучения. При мультифракционированном облучении усиливается поражение как опухоли, так и попадающих в зону воздействия быстрореа- гирующих нормальных тканей. Считается, однако, что с ранними лучевыми реакциями легче бороться, чем с поздними лучевыми поражениями. Поэтому режимы мультифракционированного облучения широко применяются при лечении опухолей ряда локализаций. Заметим, однако, что при использовании новейшей техники, позволяющей формировать дозные поля с минимальным захватом нормальных тканей, вполне рациональным становится возвращение к режиму крупного фракционирования, при котором гораздо легче использовать различные модификаторы и который удобнее для больных и персонала.
РЕЗЮМЕ
Радиочувствительность клеток различных новообразований у человека, а также клеток опухолей одного гистогенеза у индивидуальных больных варьирует в широких пределах.
466
Фактором, значительно увеличивающим радиорезистентность опухолевых клеток, является гипоксия, возникающая вследствие дисбаланса в скоростях размножения клеток и роста сосудистой сети.
Важной прикладной задачей радиобиологии является разработка методов селективного управления тканевой радиочувствительностью — повышения радиочувствительности опухолевых и увеличения радиорезистентности клеток здоровых тканей.
Для сенсибилизации гипоксических опухолевых клеток используют кислород, подаваемый больному во время сеанса лучевой терапии, а также электронакцепторные соединения, обладающие большей по сравнению с кислородом диффузией в отдаленные от капилляров зоны новообразований, так как в отличие от кислорода они не расходуются на метаболические процессы.
Для преодоления неблагоприятного действия опухолевой гипоксии разработан метод гипоксирадиотерапии, при котором избирательная защита нормальных тканей достигается переводом больных на дыхание смесями, содержащими 8—10% кислорода. Радиорезистентность нормальных тканей при этом повышается в большей мере, чем опухолей, уже исходно имеющих гипоксические радиорезистентные клетки. Повышение курсовой дозы излучения на величину, соответствующую преимущественному увеличению радиорезистентности нормальных тканей, способствует усилению поражения опухолевых клеток.
Гипертермия — нагрев (обычно в течение одного часа) опухоли до температуры в 41—43,5°С. Гипертермия сама по себе вызывает гибель части опухолевых клеток, а в сочетании с облучением (терморадиотерапия) резко усиливает их лучевое поражение.
Неполноценность опухолевой сосудистой сети уменьшает отвод тепла от опухоли по сравнению с находящимися в зоне прогрева нормальными тканями. Благодаря этому температура опухоли превышает температуру здоровых тканей на 1 — 1,5°С, что определяет избирательность противоопухолевого действия гипертермии.
Установлено, что одним из факторов усиления эффекта облучения с помощью гипертермии является подавление репаративных способностей клетки.
Применение в лучевой терапии тяжелых заряженных ядерных частиц (протонов, л-мезонов и тяжелых ионов) основано на лучшем пространственном распределении поглощенной дозы между опухолью и здоровыми тканями. Кроме того, благоприятной для лучевой терапии особенностью биологического действия всех тяжелых частиц, включая нейтроны, является ослабление радиозащитного эффекта опухолевой гипоксии и более выраженное поражение покоящихся опухолевых клеток.
Один из основных методов повышения эффективности лучевой терапии — новые режимы фракционирования дозы. Мультифракционирование — подведение в день 2—3 фракций вместо одной, способствует снижению тяжести отдаленных лучевых поражений.
При лучевой терапии большинства злокачественных новообразований пока не удается получить полной регрессии опухолей у 100% больных. Необходимую для излечения дозу невозможно подвести из-за опасности превышения толерантности нормальных тканей. Вместе с тем эта доза в большинстве случаев не может быть ниже уровня толерантности, так как тогда значительно уменьшается эффективность излечения опухоли.
Накопленные экспериментальной и клинической радиобиологией данные о кинетике восстановительных процессов на клеточном и тканевом уровне позволяют заранее определять общую дозу и число фракций, соответствующих уровню толерантности нормальных тканей, при клинических испытаниях новых режимов лучевой терапии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ВТОРОЙ ЧАСТИ
Завершая изложение основных вопросов радиобиологии организма, можно сделать ряд выводов, с одной стороны, подтверждающих преемственность основ общей радиобиологии, рассмотренных в первой части книги на клеточном уровне, а с другой — свидетельствующих о невозможности прямых экстраполяций клеточных данных в связи с особенностями лучевых реакций целостного организма.
Непосредственные лучевые реакции организма следует рассматривать как следствие поражения критических органов, и в случаях, когда наблюдаются клинически значимые нарушения, они переходят в категорию ранних детерминированных эффектов. При меньших дозах наблюдаются преходящие, клинически незначимые лучевые реакции, которые относят к категории квазидетер- минированных эффектов.
Детерминированные эффекты проявляются после достижения некоторого дозового порога. Их вероятность и тяжесть усиливаются с ростом дозы и ослабляются с пролонгированием облучения благодаря облегчению как репарации клеточных повреждений, так и тканевой регенерации.
С течением времени и особенно после облучения в больших дозах развиваются поздние детерминированные эффекты в виде фиброзов, нейропатий, поражения костей и т.д. Эти эффекты являются следствием постепенной утраты клеточных элементов на фоне низкого уровня клеточной пролиферации, свойственной этим тканям.
В отличие от лучевых реакций на клеточном уровне вероятность и особенно выраженность их проявления в организме зависят и от влияния опосредованных механизмов неспецифической гомеостатической регуляции, приобретенных и развившихся в процессе эволюции как способ ослабления влияния любых неблагоприятных факторов среды, что ограничивает прямые экстраполяции с клеточного уровня на организм.
Отдаленные стохастические (вероятностные) последствия облучения (злокачественные новообразования и наследственные болезни) теоретически не имеют порога, причем с ростом дозы увеличивается только вероятность их возникновения. При пролонгировании облучения вероятность стохастических эффектов
469
ослабляется, но, по-видимому, в меньшей степени, чем детерминированных.
В отличие от результатов на животных, случаев радиационно индуцированных наследственных заболеваний в потомстве человека до сих пор не зарегистрировано, что не дает оснований для проведения соответствующих прямых межвидовых экстраполяций, в частности, с животных на человека.
Анализ сходства и различий между детерминированными и стохастическими эффектами облучения в зависимости от времени их проявления и от уровня радиационного воздействия свидетельствует о разных механизмах их формирования.
Эти важные обстоятельства необходимо учитывать при регламентации радиационных воздействий, которые излагаются в третьей части книги.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙБЕЗОПАСНОСТИ
ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
ПРИРОДНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН
ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОНИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯМЕДИЦИНСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РАДИАЦИОННЫХ АВАРИЙНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РЕГЛАМЕНТАЦИИ ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
НОРМЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
В третьей части книги рассматриваются чисто практические аспекты радиобиологии человека — обеспечение радиационной безопасности, которое целиком основано на данных науки о радиобиологии организма, изложенных в предыдущей части. Прежде всего описаны естественные (природный радиационный фон), техногенные и искусственные источники радиации и вклад каждого из них в облучение человека в обычных условиях и в чрезвычайных обстоятельствах. Сделан анализ произошедших во второй половине прошедшего века основных радиационных аварий. Рассмотрены чисто радиологические (связанные с воздействием облучения) и другие медицинские последствия, обусловленные психосоциальными факторами аварии на Чернобыльской АЭС.
В последней главе 3-й части книги излагаются научные основы регламентации облучения человека, главной задачей которой является минимизация детерминированных и стохастических последствий облучения. Описана работа международных и национальных организаций и ведомств, разрабатывающих рекомендации в области радиационной защиты для разных категорий облучаемых лиц — профессионалов, работающих в атомной промышленности и в медицине, контактирующих по роду своей деятельности с источниками радиации, а также для населения. Изложены дискуссионные вопросы теории и практики регламентации облучения, а также канцерогенного и генетического рисков.
ГЛАВА
ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Естественный, технологически измененный и искусственный радиационный фон
Земная радиация
Космическое излучение
Техногенные источники излучения
Радиация в медицине
Испытания ядерного оружия
Атомная энергетика
Профессиональное облучение
Под радиационным фоном понимают ионизирующее излучение земного и космического происхождения, постоянно воздействующее на человека. Различают естественный, технологически измененный естественный и искусственный радиационный фоны.
Естественный радиационный фон обусловлен излучением природных радионуклидов Земли и космическим излучением.
Технологически измененный естественный радиационный фон формируется из природных источников ионизирующего излучения, например излучения рассеянных в окружающей среде естественных радионуклидов, извлеченных из недр Земли вместе с полезными ископаемыми или содержащихся в строительных материалах жилищ.
Искусственный радиационный фон — глобальное загрязнение окружающей среды искусственными радионуклидами, образующимися при расщеплении ядер урана и плутония; возник после начала испытаний ядерного оружия, а также частично за счет выброса атомными электростанциями благородных газов, углерода и трития. Искусственный радиационный фон в масштабах земного шара в среднем составляет 1—3% естественного радиационного фона.
Мерой радиационного фона на местности является мощность поглощенной дозы, а оценки влияния на человека — годовая эффективная доза.
Естественные источники радиации
Основная часть воздействия ионизирующего излучения на население Земли приходится на естественные источники радиации. При этом избежать облучения от большинства из них невозможно.
ЗЕМНАЯ РАДИАЦИЯ. РАДОН
Более 80% годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от естественных источников, приходится на внутреннее облучение от земной радиации — радионуклидов, попадающих в организм с пищей, водой и воздухом. Остальную часть этой дозы вносят космические лучи, главным образом путем внешнего облучения.
Главные радионуклиды, встречающиеся в Земле, — это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало от урана-238 и тория-232 — долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения. Наиболее весомым естественным источником радиации является тяжелый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) газ радон, в форме радона-220, образующегося в цепочке продуктов распада урана-238, промежуточными элементами которой являются торий-232 и радон-222. Радон относится к благородным газам, удаляемым из легких с такой же скоростью, с какой он и поступает, поэтому облучение от самого радона незначительно. Однако продукты распада радона оседают на пыль и другие мельчайшие частицы, например на частицы табачного дыма, которые оседают на слизистых дыхательных путей. Таким образом, когда говорят об облучении человека от радона, на самом деле имеется в виду облучение от продуктов его деления, в первую очередь полония-218 и полония-214.
Согласно оценкам НКДАР ООН, радон обусловливает 75% годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно половину этой дозы от всех естественных источников.
Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении, в которое радон поступает, просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из строительных материалов, использованных в конструкции дома. В результате в помещении могут возникать довольно высокие уровни радиации, особенно если дом стоит на грунте с повышенным содержанием радионуклидов или если при его постройке использовали материалы с повышенной радиоактивностью. Герметизация помещений с целью утепления лишь усугубляет дело, так как затрудняет выход газа из помещения. 474
В 70-х годах в Финляндии и Швеции концентрация радона внутри помещений в 5000 раз превышала его содержание в наружном воздухе, а в 1982 году его превышение в 500 раз было выявлено в помещениях в Великобритании и США.
В большой степени это связано с использованием некоторых строительных материалов, в частности фосфогипса (применяемого при изготовлении строительных блоков, штукатурки, перегородок и цемента), обладающего высокой удельной радиоактивностью. Согласно полученным оценкам, ожидаемая коллективная эффективная доза* облучения в результате применения этого материала составляет -300 000 чел. • Зв.
Доля домов с высокой концентрацией радона и его дочерних продуктов (от 1000 до 10000 Бк/м3) лежит в пределах от 0,001 до 0,1% в разных странах. Следовательно, не так мало живущих в них людей подвергаются радоновому облучению. Однако в странах, где этот вопрос не стоит так остро,3/4 коллективной эффективной дозы, получаемой населением за счет радона, складывается из доз облучения в домах с удельной радиоактивностью воздуха менее 100 Бк/м3. Это обусловливает эффективную дозу облучения от радона около 1 мЗв/год, т.е. около половины всей годовой дозы, получаемой человеком в среднем от всех естественных источников радиации.
Уровни земной радиации различаются для разных мест земного шара, так как зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. Так, в большинстве стран Европы, в США, Японии и России примерно 95% населения живет в местах, где годовая эффективная доза за счет земной радиации составляет от 0,3 до 0,6 мЗв (табл.22.1).
Таблица 22.1. Средние годовые эффективные дозы облучения населения за счет основных природных источников ионизирующих излучений в регионах Земли с нормальным радиационным фоном, мЗв
Источники излучения
За счет внешнего облучения
За счет внутреннего облучения
Суммарно
Радионуклиды земного проис-
хождения:
калий-40
0,12
0,18
0,3
ряд урана-238
0,09
1,15
1,24
ряд тория-232
0,14
0,23
0,37
Космическое излучение
0,3
0
0,3
1 Коллективная эффективная доза — эффективная доза, полученная группой людей от какого-либо источника радиации.
Некоторые группы населения (около 3%) получают в среднем 1 мЗв/год, а 1,5% — более 1,4 мЗв/год. Есть, однако, места, где уровни земной радиации намного больше, например в ряде мест в Бразилии, в том числе на морском курорте уровень радиации в сотни раз превосходит средние величины, составляя более 200 мЗв/год. Известны населенные места с резко повышенным фоном земной радиации в Индии, где ее уровни составляют от 3,8 до 17 мЗв/год. Кроме этих хорошо изученных «горячих точек» планеты, известно, что в Иране, в районе городка Рамсер, бьют ключи, богатые радием, и уровни радиации здесь достигают 400 мЗв/год. Высокие уровни земной радиации зарегистрированы также во Франции, Нигерии и на Мадагаскаре.
Другими источниками радиации являются уголь и образующаяся в результате его сжигания зола и зольная пыль, приводящие к увеличению коллективной эффективной дозы на сотни тысяч чел. • Зв. Значительно меньший вклад в дозу вносит добыча фосфатов для производства удобрений.
Искусственные источники облучения человека
За прошедшее столетие и особенно за последние 50—60 лет человек создал несколько сотен искусственных радионуклидов, научился использовать энергию атома в самых разных областях: в науке, на транспорте, в медицине, для производства энергии и для создания атомного оружия, а также во многих других отраслях промышленности и быта. Все это приводит к увеличению дозы облучения как отдельных людей, так и населения Земли в целом, хотя доза, создаваемая всеми искусственными источниками ра- диации^ составляет около 20% естественного фона (рис. 22.1).
Интенсивность воздействия техногенных источников радиации сильно варьирует, но,как правило, легче контролируется, хотя облучение, связанное с радиоактивными осадками от ядерных взрывов, почти также невозможно контролировать, как и облучение, обусловленное космическими лучами или земными источниками.
ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В МЕДИЦИНЕ
В настоящее время основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, вносят связанные с их применением диагностические процедуры и методы лечения. Как 476
Естественные источники, 2 мЗвЕстественные источники, 2 мЗвИсточники, использующиеся в медицине, 0,4 мЗвИсточники, использующиеся в медицине, 0,4 мЗв Радиоактивные осадки, 0,02 мЗв— Атомная энергетика, 0,01 мЗв Радиоактивные осадки, 0,02 мЗв— Атомная энергетика, 0,01 мЗвРис. 22.1. Источники облучения человекаРис. 22.1. Источники облучения человека
Естественные источники, 2 мЗв
Естественные источники, 2 мЗв
Источники, использующиеся в медицине, 0,4 мЗв
Источники, использующиеся в медицине, 0,4 мЗв
Радиоактивные осадки, 0,02 мЗв
— Атомная энергетика, 0,01 мЗв
Радиоактивные осадки, 0,02 мЗв
— Атомная энергетика, 0,01 мЗв
Рис. 22.1. Источники облучения человека
Рис. 22.1. Источники облучения человека
было показано в 21-й главе, лучевая терапия широко применяется при лечении рака. При этом используются очень высокие дозы, направленные на исцеление больного. Но получают такие дозы отдельные лица, что мало влияет на коллективную эффективную дозу.
Наиболее распространенным видом медицинского применения радиации является ее использование в диагностических целях. В наиболее развитых странах на каждую 1000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год, не считая рентгенологических обследований зубов и массовой флюорографии. Правда, около 2/3 населения Земли проживает в странах, где среднее число рентгенологических обследований составляет не более 10% от соответствующих показателей в промышленно развитых странах.
Дозы излучения, получаемые при рентгенодиагностических процедурах, варьируют в очень широких пределах: в зависимости от технических параметров оборудования, методов, применяемых в различных медицинских учреждениях, и опыта рентгенологов. Для большинства рентгенодиагностических процедур средняя доза воздействия на кожу составляет 0,5—5 сГр за процедуру, хотя в отдельных случаях (например, при обследовании сердца) разовая доза может достигать 0,5 Гр. В зубоврачебной практике доза воздействия на голову и щитовидную железу достигает соответственно 0,2—0,5 и 0,002—0,07 сГр. Доза облучения участков костного
мозга измеряется сотнями и тысячами мкГр за процедуру; при использовании соответствующей аппаратуры и сверхчувствительной пленки эта доза может быть уменьшена в 5 раз и более.
В последнее время появился ряд технических усовершенствований, правильное использование которых значительно снижает поглощенную дозу. Однако исследования, проведенные в ФРГ, Великобритании и США, показывают, что дозы, получаемые человеком в пределах одной страны, но в разных клиниках, могут различаться в 100 раз. Это зависит от тщательности ограничения облучаемого объема, состояния и правильной эксплуатации оборудования, качества и чувствительности пленок и других технических и методических факторов. Значительное снижение лучевых нагрузок (от 5 до 50 раз) достигается в результате применения компьютерной томографии.
При обсуждении целесообразности или необходимости диагностического применения ионизирующих излучений следует, как это всегда принято при регламентации радиационных воздействий, исходить из принципа сравнительной оценки пользы и риска. Наглядным примером такого подхода могут служить данные массовой флюорографии в Японии, в результате которой при изготовлении 40 млн. рентгеновских снимков легких было обнаружено около 44 500 случаев туберкулеза. Согласно подходам, рекомендуемым МКРЗ, такое облучение может гипотетически привести к появлению у обследованного контингента в течение 25 лет лишь 45 заболеваний лейкозами и 7 случаев рака, что свидетельствует о существенном положительном балансе пользы рентгенодиагностики относительно риска. В тоже время, по расчетам Э. Холла (1989), на каждого японца, заболевшего раком вследствие атомной бомбардировки, приходится не меньше 20 заболевших из-за неоправданного облучения в медицинских целях.
ИСПЫТАНИЯ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ
Максимум испытаний ядерного оружия приходится на два периода: первый — 1954—1958 гг., когда взрывы проводили Великобритания, США и СССР, и второй, более значительный — на 1961—1962 гг., когда ядерные взрывы проводили в основном Соединенные Штаты и Советский Союз. В результате этих испытаний выпадают радиоактивные осадки. Часть из них выпадает неподалеку от места испытания, а другая часть перемещается ветром на большие расстояния и постепенно выпадает на землю. После подписания в 1963 г. Договора об ограничении испытаний ядерно- 478
го оружия, запрещающего его испытание в атмосфере, под водой и в космосе, серию таких испытаний в Индии и Пакистане провели Франция и Китай. Подземные испытания проводятся до сих пор, но они обычно не сопровождаются образованием радиоактивных осадков.
Вклад в ожидаемую коллективную эффективную дозу облучения населения от ядерных взрывов, превышающий 1%, дают только четыре радионуклида: это |4С, 137Cs, 95Zr и 90Sr. В настоящее время существенную долю в дозу вносит только |4С, период полураспада которого составляет 5730 лет. Остальные практически уже потеряли активность. Большая часть радиоактивных осадков выпала в северном полушарии, где проводилась большая часть испытаний. Дозы, полученные пастухами на Крайнем Севере, в 100—1000 раз превышают среднюю индивидуальную дозу для остальной части населения. Суммарная ожидаемая коллективная эффективная доза от всех ядерных взрывов, произведенных в атмосфере, составляет около 40 млн чел. ■ Зв. К настоящему времени человечество получило 15% этой дозы, остальную часть оно будет получать еще миллионы лет.
АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции (АЭС), хотя в настоящее время их вклад в суммарное облучение населения весьма незначителен, так как при нормальной работе ядерных установок выбросы радиоактивных материалов в окружающую среду незначительны.
АЭС являются лишь частью ядерного топливного цикла, который начинается с добычи и обогащения урановой руды. Другой, не менее важный источник облучения — производство ядерного топлива для АЭС, которое после отработки в реакторах станции иногда (примерно 10%) подвергают вторичной отработке, чтобы извлечь из него уран и плутоний. Как правило, цикл заканчивается захоронением радиоактивных отходов. На каждой стадии цикла в окружающую среду могут поступать радиоактивные вещества, количество которых, а следовательно, и создаваемые уровни облуче-
ния населения зависят от многих технологических причин и от места проживания.
Каждый реактор выбрасывает в окружающую среду целый ряд радионуклидов с разными периодами полураспада. Большинство радионуклидов распадается быстро и поэтому имеет лишь местное значение. Однако некоторые живут достаточно долго и могут распространяться по всему земному шару, а определенная часть из них остается в окружающей среде бесконечно.
Согласно оценкам НКДАР (сложные методы получения этих оценок здесь не приводятся), годовая коллективная эффективная доза облучения от всего ядерного цикла к 2000 г. составляла около 10 000 чел. • Зв, а к 2100 г. она возрастет до 200 000 чел. • Зв. Эти оценки основаны на пессимистическом предположении, что нынешний уровень выбросов сохранится и не будут введены существенные технические усовершенствования. Но даже и в этом случае средние дозы будут малы по сравнению с уровнями облучения от естественных источников — в 2100 г. они составят лишь 1% от естественного фона. Люди, проживающие вблизи АЭС, конечно, получают гораздо большие дозы, чем в среднем все население. Тем не менее в настоящее время эти дозы обычно не превышают нескольких процентов естественного радиационного фона.
Все приведенные цифры получены на основании предположения, что ядерные реакторы работают нормально. Однако количество радиоактивных веществ, поступивших в окружающую среду при авариях, оказывается гораздо большим (см. гл. 23). Поэтому особое внимание придается максимальному обеспечению радиационной безопасности на действующих реакторах, а также при проектировании и строительстве новых АЭС.
Самые большие дозы облучения, источником которого являются объекты атомной промышленности, получают работающие на них люди. Дозы, получаемые рабочими урановых рудников и обогатительных фабрик, составляют в среднем 1 чел. - Зв на каждый гигаватт/год электроэнергии. Примерно 90% этой дозы приходится на долю рудников, причем персонал, работающий в шахтах, подвергается большему облучению. Коллективная эквивалентная доза от заводов, на которых получают ядерное топливо, также составляет 1 чел. • Зв на гигаватт/год. Наиболее типичное значение среднегодовой коллективной эффективной дозы для ре- 480
Медицина- 1600000
Предполагаемоеразвитие атомнойэнергетики1980г. - 500 2000г. -10000 Предполагаемоеразвитие атомнойэнергетики1980г. - 500 2000г. -10000 Воздушный' транспорт - 2000Часы наручные и прочее — 2000 Атомная энергетика (профессиональное облучение) - 2000Атомная энергетика(1980) - 500Воздушный' транспорт - 2000Часы наручные и прочее — 2000 Атомная энергетика (профессиональное облучение) - 2000Атомная энергетика(1980) - 500
Предполагаемоеразвитие атомнойэнергетики
1980г. - 500
2000г. -10000
Предполагаемоеразвитие атомнойэнергетики
1980г. - 500
2000г. -10000
Воздушный' транспорт - 2000
Часы наручные и прочее — 2000 Атомная энергетика (профессиональное облучение) - 2000
Атомная энергетика(1980) - 500
Воздушный' транспорт - 2000
Часы наручные и прочее — 2000 Атомная энергетика (профессиональное облучение) - 2000
Атомная энергетика(1980) - 500
2100г. -200000
Рис. 22.2. Облучение населения земли от разных источников в сопоставле-нии с существующими и ожидаемыми лучевыми нагрузками от атомнойэнергетики в связи с ее предполагаемым развитием:
цифры — годовая эффективная коллективная доза, выраженная в чел. • Зв
акторов составляет 10 чел. • Зв на гигаватт/год электроэнергии. Средняя доза, получаемая людьми, занятыми научно-исследовательской работой, в среднем по всем странам составляет ~3 чел. • Зв на гигаватт/год. Все эти величины суммарно добавляют 0,03% дозы, получаемой от естественных источников. Понятно, что средние оценки профессиональных доз не отражают большого разброса индивидуальных доз.
Кроме рабочих предприятий атомной промышленности, облучению подвергаются работники обычных предприятий, а также медицинский персонал. Вклад дозы, получаемой медиками, занимающимися радиологическими обследованиями, в коллективную эффективную дозу населения в странах с высоким уровнем медицинского обслуживания составляет около 1 чел. • Зв на миллион жителей.
На рис. 22.2 сопоставлены дозы, создаваемые различными искусственными источниками облучения. Из рисунка видно, сколь скромное место по сравнению с сегодняшним применением радиации в медицине занимает современная атомная энергетика и каков прирост лучевой нагрузки от нее в перспективе.
ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯ
Самым распространенным источником облучения являются часы со светящимся циферблатом. Они дают годовую дозу, в 4 раза превышающую обусловленную утечками на АЭС.
Такую же коллективную эффективную дозу получают работники атомной промышленности и экипажи авиалайнеров. При перелете из Москвы в Нью-Йорк пассажир обычного турбореактивного самолета получает дозу около 0,05 мЗв, а пассажир сверхзвукового лайнера получал бы на 20% меньше, хотя подвергался бы более интенсивному облучению, но за более короткий промежуток времени.
В авиалайнерах облучение происходит за счет космической радиации, относящейся к естественным источникам. Однако возможностью систематически подвергаться столь интенсивному космическому облучению человечество обязано техническому прогрессу XX в., в связи с чем этот вопрос рассматривается как своеобразное следствие антропогенной деятельности. Всего за счет использования воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную дозу около 2000 чел. • Зв.
Источником рентгеновского излучения, наконец, являются цветные телевизоры, однако при правильной настройке и эксплуатации дозы облучения от их современных моделей ничтожны. 482
РЕЗЮМЕ
Различают три вида радиационного фона (РФ) — естественный РФ, технологически измененный РФ и искусственный РФ.
Естественный РФ обусловлен излучениями природных радионуклидов Земли и космического происхождения. В большинстве стран мира, в том числе в России, годовая мощность дозы излучения, создаваемая естественным РФ, составляет 0,3—0,6 мЗв.
Технологически измененный естественный РФ обусловлен природными источниками излучений, извлеченными из недр земли, например, содержащимися в строительных материалах.
Искусственный РФ — глобальное радиационное загрязнение окружающей среды, образующееся при расщеплении ядер урана, например, в результате испытаний ядерного оружия, а также выбросов АЭС. Искусственный РФ составляет около 3% естественного РФ.
Мерой воздействия РФ на местности является поглощенная доза, а при оценке влияния на человека — годовая эффективная доза.
Основную лучевую нагрузку на человека создает медицинское применение ионизирующих излучений. При оценке целесообразности или необходимости облучения с диагностическими и лечебными целями следует, как и при других аспектах радиационной безопасности, исходить из принципа сравнительной оценки пользы и риска.
ГЛАВА
Z J МЕДИЦИНСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РАДИАЦИОННЫХ АВАРИЙ
Неконтролируемое облучение профессионалов и населения Радиационные аварии
Два типа медицинских последствий радиационных аварий — радиологические, обусловленные облучением, и соматические расстройства здоровья нерадиационной природы Медицинские последствия аварии на ЧАЭС и их прогноз на будущее
В этой главе рассмотрены медицинские последствия различных видов неконтролируемого облучения профессионалов и населения, условно объединенных термином «радиационные аварии», хотя многие события возникали чисто произвольно (например, сброс радиоактивных отходов в реку Теча), не говоря об атомном нападении на Японию, с которого и началась история массовых радиационных последствий у человека. Вслед за атомной бомбардировкой Хиросимы и Нагасаки во всем мире стали активно развиваться два независимых направления исследований, направленных на сохранение здоровья профессионалов, работающих в областях, связанных с ионизирующей радиацией, и населения, непроизвольно находящегося в контакте с нею.
Первое направление включает изучение средств и методов профилактики (радиопротекторов) и лечения острых лучевых поражений, второе — разработку мероприятий, направленных на минимизацию радиологических последствий радиационных аварий, возможность которых в связи с развитием ядерной энергетики (хотя и с крайне малой вероятностью) не может быть исключена.
С 60-х годов по ряду объективных причин работы по первому направлению начали повсеместно сокращаться, а по второму, — напротив, наращиваться, так как стали очевидными реальные последствия техногенного облучения.
Особый стимул развитию всех аспектов радиационной безопасности был дан происшедшей в 1986 г. аварией на Чернобыль- 484
ской АЭС. Чернобыльская авария по своим масштабам превзошла все прошлые радиационные инциденты, так как привела к радиационному загрязнению огромных территорий земного шара. Однако в действительности радиологические последствия были значительно меньше, чем предсказывались в первые годы не только дилетантами, но и некоторыми специалистами.
Важно иметь в виду, что ко времени аварии на четвертом блоке ЧАЭС, т. е. к 1986 г., радиационная медицина была подготовлена к решению абсолютного большинства возникших вопросов как на основании научного анализа возможных последствий облучения человека, так и исходя из практического опыта (особенно российского) их преодоления в прошлых радиационных авариях.
Возможные медицинские последствиярадиационных аварий
Существует два вида возможных медицинских последствий любой крупной радиационной аварии:
собственно радиационные, точнее, радиологические последствия, являющиеся результатом непосредственного воздействия ионизирующего излучения;
различные общие расстройства здоровья, вызванные любыми другими факторами аварии нерадиационной природы, например социальными, стрессорными или психологическими.
Между тем среди населения широко бытует представление о том, что любые расстройства здоровья, регистрируемые улиц, хотя бы кратковременно работавших в зоне аварии или проживающих на загрязненных радионуклидами территориях, связаны с облучением. Исторически страх перед радиацией возник в связи с ужасными последствиями двух атомных бомбардировок, хотя и тогда основные жертвы были результатом отнюдь не облучения, а следствием воздействия ударной волны и ожогов. В еще меньшей степени обосновано заключение о радиационной обусловленности многочисленных расстройств здоровья, отмечаемого населением при большинстве аварий.
Радиологические эффекты по времени их проявления делят на две хорошо известные из прошлого изложения категории: непосредственные, объединяемые терминами «детерминированные», и отдаленные — «стохастические».
Рис. 23.1. Общая схема возможных медицинских последствий радиационных аварий на примере аварии на ЧАЭС с ее реальными и прогнозируемыми радиологическими последствиями
Напомним, что детерминированные эффекты (лат. determinare — обусловливать) всегда обусловливаются гибелью большого числа клеток критических органов — костного мозга, кишечника, семенников, кожи. Все детерминированные эффекты пороговые. Они обязательно возникают при достижении пороговой дозы (не менее 0,25 Гр) и с ее ростом увеличиваются, так как увеличивается число погибающих клеток.
Следовательно, обязательными условиями отнесения того или иного непосредственного эффекта к категории детерминированных являются его зависимость от дозы и клиническое проявление, как следствие значительных клеточных утрат.
В отличие от непосредственных, детерминированных эффектов, для возникновения отдаленных последствий может оказаться 486
достаточным изменения одной клетки. Теоретически они не имеют порога, отсюда и их название стохастические, т.е. вероятностные, случайные эффекты. Если такие изменения происходят в соматических клетках облученного индивидуума, то со временем у него может возникнуть лейкоз или рак. Если изменениям подверглись половые клетки, можно ожидать развития наследственных заболеваний или врожденных уродств у потомства.
Облучение плода чревато возникновением так называемых тератогенных эффектов, проявляющихся в виде врожденных уродств и других аномалий развития.
На рис. 23.1 представлена общая схема возможных медицинских последствий на примере Чернобыльской аварии; одновременно отражены ее радиологические последствия, проявившиеся к началу 2003 г., а также прогнозируемые в последующем. Мы вернемся к обсуждению реальных медицинских последствий аварии на ЧАЭС после краткого обзора предшествующих ей радиационных инцидентов.
Медицинские последствия основныхнеконтролируемых радиационных воздействий
В табл. 23.1 перечислены радиологические последствия атомной бомбардировки в Японии, трех инцидентов в России — сброса воды с радионуклидами на радиохимическом комбинате «Маяк» (г. Озерск) в реку Теча, взрыва емкости-хранилища радиоактивных отходов этого комбината, с загрязнением большой территории Уральского региона (Восточно-Уральского радиоактивного следа, ВУРС), и аварии на ЧАЭС, а также 5 неконтролируемых радиационных событий в других странах — аварий на реакторах в Уиндскейле и Три-Майл-Айленде, выбросов радиоактивного йода на заводах в Хэнфорде, выпадения радиоактивных осадков на Маршалловых островах и аварии в Гоянии.
Таблица 23.1. Качественные оценки радиологических последствий неконтролируемых радиационных воздействий в мире (по Л.А. Булдакову, 2003)
Место и время, пострадавшие
Доза, Гр
ОЛБ
ХЛБ
Лейкозы
Рак
ВАР
Генетические эффекты
Хиросима, Нагасаки, население 1945 г.
0,1-6
+
—
+
+
+
—
«Маяк», работники, 1949 - 1999 гг.
0,1—>10
+
+
+
+
—
—
Жители г. Озерска, вблизи «Маяка»
0,01-0,15
—
—
—
ЩЖ
—
—
ВУРС, охрана, 1957 г.
0,01-1
—
—
—
—
—
—
ВУРС, жители, 1957 г.
0,01-0,5
—
—
—
—
—
—
ЧАЭС, ликвидаторы*
0,1-16
+
—
+
—
—
—
ЧАЭС, население
0,01-0,25
—
—
—
—
—
—
ЧАЭС, дозы в ЩЖ
0,1- > 10
—
—
—
4-
—
—
Аварияреактора
Уиндскейл, 1957 г.
0,01-0,1
—
—
—
—
—
—
Три - М айл-Айленд, реактор АЭС 1979 г.
< 0,00085
—
—
—
—
—
—
Маршалловы острова, 1954 г.
0,5-5
—
—
—
+
—
—
Хэнфорд, выбросы радиойода на заводах, 1951 г., 1963 г.
< 0,2
—
—
—
+
—
—
Гояния, 1987 г.
1-8
+
—
—
—
9
9
Примечание. ОЛБ.ХЛБ — острая и хроническая лучевая болезнь, ВАР — врожденные аномалии развития, ЩЖ — щитовидная железа.
*Имеются в виду две группы ликвидаторов — более 600 человек, работавших в первые часы и получивших большие дозы облучения — от 0,5 до 16 Гр и основное число (около 600 тыс.) участников работ по минимизации последствий аварии, подвергшихся облучению от 0,1 до 0,5 Гр (в большинстве в пределах 0,25 Гр).
Международной шкалой комплексных оценок, прежде всего учитывающих количество выброшенных в атмосферу радионуклидов, предусмотрено семь категорий радиационных аварий. В соответствии с этой шкалой все три российские аварии, последствия которых и будут предметом дальнейшего рассмотрения, являются наиболее тяжелыми.
Чернобыльская авария по международной шкале классифицируется как глобальная с наивысшим индексом 7. В результате этой аварии всего в атмосферу было выброшено более 1019 Бк реакторных радионуклидов.
488
К тяжелым, с индексом 6, относится и авария на Южном Урале, образовавшая ВУРС, так как количество выброшенных в атмосферу радионуклидов превысило 7 • 1017 Бк долгоживущих радиоактивных изотопов.
К авариям с тем же индексом 6 можно отнести и произвольный сброс в водоем реки Теча 1 • 1017 также долгоживущих радионуклидов с комбината «Маяк».
Медицинские, особенно радиологические последствия всех трех аварий существенно различаются, так как их реализация зависит, кроме суммарного количества выброшенных радионуклидов, от продолжительности выбросов и численности населения, которая, в свою очередь, как правило, пропорциональна площади загрязнения. Поэтому с увеличением территории загрязнения и соответственно численности проживающего на ней населения сильно возрастает коллективная эффективная доза.
Однако индивидуальные дозы, получаемые населением, следуют другой, противоположной закономерности, так как уровни радиационного воздействия обратно пропорциональны площади загрязнения и численности затронутого им населения.
Действительно, в результате загрязнения проточного водоема суммарной активностью 1017 Бк индивидуальные дозы у жителей прибрежных сел достигали 5 Зв, после взрыва емкости с радиоактивными отходами в 7 раз большей активности — 7,4 • 1017 Бк, дозы оказались в 10 раз меньшими — 0,5 Зв, а после взрыва Чернобыльского реактора при выбросе на два порядка большей активности — 1019 Бк, средние индивидуальные дозы были еще меньше — 0,2 Зв. Это обусловлено размером территории рассеивания нуклидов, когда плотность загрязнения обратно пропорциональна общей площади загрязнения. Поэтому после Чернобыльской аварии, несмотря на огромные выбросы, загрязнившие гигантские (более 200 000 км2) поверхности земного шара, как и после аварии 1957 г., индивидуальные дозы внешнего облучения среди населения не превысили порога детерминированных эффектов, тогда как при загрязнении существенно меньшей территории по берегам р. Течи у 10% жителей дозы оказались выше пороговых.
Особенность реакторных аварий состоит в выбросе короткоживущих радионуклидов, в частности большого количества радиоактивных изотопов йода. Отсюда — локальное облучение щитовидной железы и, как следствие, — рак этого органа.
Последствия аварии на ЧАЭС
Крупнейшая глобальная радиационная авария на ЧАЭС (далее — авария) и ее последствия не могли не вызвать бурной реакции населения всего мира и особенно непосредственно пострадавших от нее стран — Белоруссии, России и Украины. При этом и по сей день в обществе сохраняются противоречивые мнения — от основанных на достоверных научных данных объективных оценок медицинских последствий аварии, до далеких от реальности субъективных представлений, базирующихся на чрезвычайно эмоциональном восприятии действительности, которая при всей ее печальной значимости не дает никаких оснований для панических прогнозов для ныне живущих и будущих поколений.
Анализу этих вопросов посвящено специальное научное приложение «Отчета НКДАР‘-2000», представленного 59-й Генеральной Ассамблее ООН. Учитывая актуальность объективного восприятия медиками и биологами медицинских последствий данной аварии, а также необходимость правильной оценки любого неконтролируемого радиационного события, дальнейшее достаточно детальное изложение в основном опирается на данные «Отчета НКДАР-2000».
ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ АВАРИИ
Авария произошла в 1 ч 24 мин после полуночи 26 апреля 1986 г. во время технических испытаний малой мощности, проводившихся на реакторе четвертого блока станции. Системы безопасности реактора были в нарушение всех норм и правил эксплуатации отключены, а управляющие стержни выведены из реактора, так что происшедший во время эксперимента переход в неустойчивый режим работы привел к резкому, неконтролируемому подъему мощности, что вызвало серию паровых (теплоносителем в реакторе служила вода) взрывов, разрушивших сам реактор и повредивших его здание. Выброшенные взрывом обломки активной зоны реактора вызвали более 30 очагов возгорания на крыше, по-
НКДАР — Научный комитет по действию атомной радиации ООН — авторитетная международная организация, которая на основе информации о последних научных исследованиях биологического действия радиации, получаемой от крупнейших ученых мира (около 100 экспертов), готовит рекомендации по радиационной безопасности и минимизации вредных последствий облучения для здоровья и докладывает их на специальных сессиях ООН.
крытой легко воспламеняющимся гудроном. Уже через пять минут на место аварии прибыли 14 пожарных, а через 2 ч на объекте работали 250 человек, из которых 69 непосредственно участвовали в тушении пожара. Работы велись на 70-метровой высоте в условиях сильного задымления и высоких уровней излучения, что вызвало почти у половины участников (ликвидаторов первой волны) тяжкие поражения со смертельным исходом.
На первом этапе для борьбы с огнем и выбросами радионуклидов в реактор было сброшено с вертолетов 5 тыс. т веществ, поглощающих нейтроны и материалов для тушения пожаров (свинца, соединений бора, доломита, песка, глины и жидких полимеров). Неточность большинства сбросов привела к новым разрушениям и распространению радиоактивного загрязнения, поэтому к 10-му дню сброс был прекращен. Расплавившиеся материалы активной зоны («лава») образовали на дне шахты слой металлизированного топлива, а его соприкосновение с водой вследствие дальнейшего растекания вызвало образование пара, что способствовало резкому увеличению интенсивности радиоактивных выбросов, которые существенно снизились лишь через 9 дней, когда лава затвердела.
Радиоактивное загрязнение земной поверхности
Основные дозовые нагрузки на население создают 1311 (в первые недели после взрыва) и 37Cs (в течение всего послеаварийного периода). Радиоактивному загрязнению земной поверхности в той или иной степени подверглись практически все страны северного полушария. Загрязненными принято называть территории, в которых средняя плотность выпадения 137Cs превышает 37 кБк/км2 (1 Ки/км2).
На территории СССР были выделены три основных района загрязнения: Центральный, охватывающий часть ближней зоны вокруг реактора, Гомельско-Могилевско-Брянский (в 200 км к северу и к северо-востоку) и Калужско-Тульско-Орловский (в 500 км к северо-востоку от реактора). Наибольшая плотность загрязнения (более 40 Ки/км2) наблюдалась в 30-километровой зоне вокруг реактора. Всего в республиках СССР было загрязнено более 150 000 км2 территорий.
В некоторых странах Европы (Финляндии, Норвегии, Швеции, Австрии и Болгарии) плотность выпадения 137Cs превысила 37 кБк/км ; на территории всей Европы общая площадь выпадений составила 45 000 км2.
Дозы облучения различных категорий населения
Принято различать три категории лиц, подвергшихся облучению в результате аварии:
«аварийный» персонал, работавший в первый день аварии (ликвидаторы первой волны),и лица, участвовавшие в дальнейшем ослаблении последствий аварии (ликвидаторы);
жители, эвакуированные из загрязненных районов;
население, проживающее в загрязненных районах.
Облучению в больших дозах подверглись примерно 600 человек из числа аварийного персонала, находившихся в ночь аварии на промплощадке станции. Из них 134 человека получили наибольшие дозы внешнего облучения (сравнительно равномерного у-облучения всего тела и р-облучения обширных его поверхностей). У 41 пострадавшего дозы внешнего облучения составили менее 2,1 Гр; у 50 — от 2,1 до 4,1 Гр; у 22 — от4,2 до 6,4 Гр и у 21 — от 6,5 до 16 Гр. Дозы р-облучения кожи у 8 пациентов с ОЛБ в 10—30 раз превосходили дозы внешнего у-облучения.
Удостоверения, подтверждающие статус ликвидаторов, получили около 600 тыс. человек, в том числе 340 тыс. военнослужащих. Точные данные о дозах облучения ликвидаторов в течение первых двух месяцев отсутствуют. В последующем наряду с индивидуальной дозиметрией использовались и другие методы оценки доз, каждый из которых характеризовался разной степенью неопределенности. С учетом многих погрешностей проведенной дозиметрии, по данным регистров можно считать, что средние эффективные дозы у-облучения, полученные ликвидаторами в 1986—1987 гг., составили примерно 100 мЗв, при разбросе индивидуальных доз от менее 10 мЗв до более 500 мЗв.
В первые недели после аварии из наиболее загрязненных районов Белоруссии и Украины было эвакуировано около 116 тыс. жителей. Основные дозовые нагрузки у них пришлись на щитовидную железу в результате воздействия радионуклидов йода. Средневзвешенная доза в этом органе для всего эвакуированного населения составила 0,47 Гр (от 0,07 Гр для взрослых до 2 Гр для детей). Дозы облучения других органов, помимо щитовидной железы, у эвакуированного населения были намного ниже.
Лучевые нагрузки населения, проживающего на загрязненных территориях, складывались за счет облучения щитовидной железы и внешнего у-облучения всего тела. Дозы на щитовидную железу более 1 Гр были определены для детей в возрасте до одного года, причем в одном и том же населенном пункте дозы облучения щитовидной железы взрослых жителей были примерно в 10 раз ниже, 492
Время после аварии, дни
Рис. 23.2. Изменение вклада различных радионуклидов в поглощенную дозу на загрязненной территории России в первые месяцы после аварии
чем у детей до одного года. Преимущественное облучение щитовидной железы детей определялось употреблением молока, загрязненного радионуклидами йода вследствие поедания коровами пастбищной травы, а также их относительно большим ингаляционным поступлением. С 1987 г. дозы формировались в основном за счет внешнего излучения от 134Cs и 137Cs в выпадениях и загрязнения этими же радионуклидами пищевых продуктов. Значительно меньший вклад в дозу вносят другие радионуклиды. Это видно из представленных на рис. 23.2 кривых, отражающих вклад различных радионуклидов в дозу в первые месяцы после аварии.
Средняя эффективная доза, полученная населением загрязненных районов за 10 лет после аварии, составила около 10 мЗв. Медианное значение эффективной дозы оценивается в 4 мЗв, и только примерно для 10 тыс. жителей оценка эффективной дозы превышает 100 мЗв. Ожидается, что пожизненные эффективные дозы примерно на 40% превысят дозы за первые 10 лет.
МЕДИЦИНСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ АВАРИИ
Оценки медицинских последствий аварии произведены с учетом огромного опыта радиационной медицины, накопленного при диагностическом и лечебном применении ионизирующего 493
излучения, а также в процессе преодоления последствий большого числа чрезвычайных ситуаций: радиационных аварий, испытаний и применения атомного оружия и других, перечисленных в гл. 23.2, неконтролируемых радиационных воздействий. Следует иметь в виду, что именно этот гигантский научно-практический опыт служит надежной основой разработки международных и национальных регламентов облучения человека, обеспечивающих недопущение ущерба здоровью.
Более трех первых лет после аварии мероприятия по ослаблению ее последствий рассматривались Советским Союзом исключительно как его внутреннее дело. Однако с 1990 г. начало развиваться международное сотрудничество, которое сыграло важную роль в объективной оценке последствий аварии для здоровья.
В 1990—1991 гг. МАГАТЭ по просьбе правительства СССР организовало Международный чернобыльский проект для оценки разработанной в Советском Союзе концепции проживания на слабо загрязненных территориях и эффективности мероприятий по защите здоровья этого населения.
В период 1992—1995 гг. Всемирная организация здравоохранения осуществила Международную программу работ по медицинским последствиям аварии (IPHECA — АЙФЕКА). Был реализован ряд проектов по анализу методов регистрации заболеваемости и ретроспективной оценки доз облучения.
В 1991 —1996 гг. Японский мемориальный фонд здравоохранения Сасакавы профинансировал самую большую программу медицинского обследования детей. В ходе реализации этой программы были созданы пять областных диагностических центров в Белоруссии, России и на Украине, оснащенных современным мобильным оборудованием.
Работы, осуществленные в рамках перечисленных международных проектов, в значительной степени способствовали объективной оценке медицинских последствий аварии, что послужило основанием для оптимистического прогнозирования здоровья абсолютного большинства людей.
На рис 23.1 были суммированы имевшие место медицинские последствия аварии. Рассмотрим теперь их по отдельности и более детально.
494
РАННИЕ РАДИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯУ ПЕРСОНАЛА РЕАКТОРА И СОТРУДНИКОВ
АВАРИЙНЫХ СЛУЖБ
Из общего числа сотрудников АЭС, находившихся на станции во время взрыва, многие из которых принимали участие в тушении пожара и других аварийных работах в зоне поврежденного реактора, 237 человек прошли первоначальное обследование с целью диагностирования ОЛБ. В последующем этот диагноз был подтвержден у 134 пациентов; у остальных в результате тщательного клинико-лабораторного обследования он был отвергнут. Тем не менее все живущие до самого последнего времени находятся под постоянным медицинским наблюдением.
Из 134 больных 28 наиболее тяжелых, страдавших комбинированными поражениями (тяжелейшая степень ОЛБ у них была осложнена обширными ожогами), несмотря на активное лечение (см. гл. 14), умерли в первые четыре месяца после аварии. Впоследствии, с 1987 по 2002 г., от разных причин (ИБС, миелодиспласти- ческий синдром, лейкоз, туберкулез и гангрена легких, цирроз печени, жировая эмболия) умерло еще 15 человек.
Таким образом, в результате аварии детерминированные эффекты в виде ОЛБ всех степеней тяжести развились у 134 пострадавших, подвергшихся комбинированным поражениям при больших дозах облучения — от 1 до 16 Гр, полученных аварийным персоналом буквально в первые часы после взрыва.
ОТДАЛЕННЫЕ РАДИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
Злокачественные новообразования
Рак щитовидной железы (ЩЖ)
Рак ЩЖ — достаточно редкое онкологическое заболевание, однако у детей он является наиболее распространенной формой рака. У младенцев или детей моложе 10 лет ЩЖ является органом с наибольшей восприимчивостью к лучевому раку. После 20 лет канцерогенный эффект чрезвычайно мал. Это связывают с митотической активностью ЩЖ, крайне высокой в детстве и минимальной после 20 лет (табл. 23.2). Существенно, что, несмотря на более агрессивное (по сравнению со взрослыми) течение рака у детей, прогнозы у них значительно благоприятнее.
Таблица 23.2. Относительный риск (ОР) рака ЩЖ в зависимости от возраста в момент острого облучения в дозе 1 Гр (сводные данные, по М. Тюбиана, 2000)
Пациенты (по данным Э. Рон, 1995)
Выжившие в Хиросиме и Нагасаки
Возраст, лет
Относительный риск
Возраст, лет
Относительный риск
0-4
40
0-9
9,5
5-9
20
10- 19
3
10 - 14
10
—
—
20-30
1
20-39
0,3
> 30
0
>40
0,2
Основной причиной рака ЩЖ в результате Чернобыльской аварии считается воздействие радиоактивных изотопов йода, выброшенных в атмосферу во время взрыва. К настоящему времени среди лиц, которым во время облучения не исполнилось 18 лет, начиная с 1990 г. и по 2002 г. включительно, зарегистрировано более 1800 случаев рака ЩЖ. Приводимые цифры касаются популяции в 9 млн человек на Украине, 1,3 млн человек в Белоруссии и 300 тыс. в России. Это увеличение во всех трех странах примерно было четырехкратным. В большинстве случаев имел место папиллярный рак, который в прогностическом отношении наиболее благоприятен.
Заключение о радиационной природе выявленного в загрязненных районах за 17 лет резкого увеличения заболеваемости раком ЩЖ остается справедливым, несмотря на существование многих неопределенностей. Главные из них касаются использовавшихся при расчетах базисных уровней заболеваемости, а также влияние скрининга. Все равно число выявленных случаев рака ЩЖ значительно превысило прогностически ожидавшееся на основании предыдущих наблюдений. Это отчасти обусловлено такими факторами, как молодой (преимущественно детский) возраст во время облучения, дефицит йода, недоучет роли короткоживущих изотопов 1321, 1331 и1351, а также (и может быть, в основном) отсутствие или запоздалая и плохо организованная йодная профилактика. Последняя была предусмотрена соответствующими инструкциями, которые игнорировались местными профессионально неподготовленными медицинскими работниками.
К другим неопределенностям относятся примеры необъяснимых различий в частоте рака ЩЖ при одинаковых или близких дозах в одних и тех же регионах и, особенно, при сравнении данных разных стран. Удивление вызывает также раннее (в первые пять лет после аварии) появление большого числа заболевших, по- 496
скольку считалось, что латентный период для этого вида рака составляет не менее 10 лет. В Японии, например, самая высокая степень риска рака ЩЖ была отмечена через 25—29 лет после облучения и даже через 40 лет риск остается повышенным. Именно эти данные поставили вопрос о возможном влиянии возросшей онкологической настороженности медицинских работников и усиленного скрининга на диагностирование рака ЩЖ в связи с небывалым для этих мест насыщением приобретенной благодаря международной помощи современной диагностической аппаратурой.
Скрининг выявлял бессимптомные новообразования и, как следствие, резкое увеличение статистики рака ЩЖ приводило как бы к сокращению латентного периода. Косвенно об этом свидетельствует крайне низкая смертность оперированных пациентов (0,3—0,6%). Это говорит не только о применении самых современных методов комплексного лечения (тем более что во многих случаях были зарегистрированы и инфильтративные формы опухоли, а также метастазы), но одновременно и о выявлении рака на самых ранних стадиях. По многочисленным международным данным, смертность от рака ЩЖ колеблется от 3 до 18%, в зависимости от времени выявления опухоли, ее гистологической и клинической форм, возраста больного и метода лечения. Согласно многолетнему опыту Российского онкологического центра им. Н.Н. Блохина РАМН, показатели смертности среди взрослых и детей колеблются соответственно от 5 до 10 и от 3 до 5%. Это понятно, если учесть, что многие больные поступают в стационар на поздних стадиях заболевания.
С большой осторожностью следует подходить и к оценке появляющихся сообщений о якобы повышении числа заболевших раком ЩЖ среди ликвидаторов аварии, если учесть, что медицинское наблюдение за ними во всех трех странах намного активнее, чем за населением в целом. Не подтверждены такие данные среди ликвидаторов Эстонии и Литвы, а также среди украинских, русских и белорусских эмигрантов в Израиль. Наконец, об этом же свидетельствуют и данные литературы. Так, например, не зарегистрировано повышения уровня риска заболеваемости раком ЩЖ у 34 тыс. пациентов, получавших 131 I с диагностической целью, 94% из которых были старше 20 лет.
По данным национальных регистров, увеличение заболеваемости раком ЩЖ в последнее время, по-видимому, приостановилось. Однако с учетом японского опыта нельзя исключить возрастания заболеваемости в последующие годы, что определяет необходимость продолжения тщательного мониторинга.
Лейкозы
Радиациационно-индуцированные лейкозы — наиболее ранние виды злокачественных новообразований, проявляющиеся уже в первые 2—3 года после облучения, а максимальная частота их регистрируется через 4—6 лет (см. гл. 17). Число случаев заболеваемости лейкозом в СССР, в том числе и в затронутых аварией республиках, постоянно росло еще до аварии. Поэтому для правильной интерпретации послеаварийных исследований этот исходный тренд необходимо тщательно исследовать, но, к сожалению, в большинстве выполненных работ таких исследований не проводилось. В связи с этим попытки дать количественные оценки риска оказываются несостоятельными.
В большом числе методологически грамотно выполненных работ во всех трех странах не установлено повышение риска заболеваемости лейкозами среди населения загрязненных районов, а также не найдено каких-либо различий в их числе при разных уровнях радиоактивного загрязнения. Не обнаружен дополнительный рост лейкозов в эстонской когорте ликвидаторов численностью 4 833 человека, сформированной в полном соответствии с современными требованиями. В рамках проекта Сасакавы при обследовании к концу 1994 г. из 86 798 детей, которым на момент аварии было меньше 10 лет, выявлено 4 случая злокачественных новообразований органов кроветворения без какой-либо корреляции с уровнем радиоактивного загрязнения среды или с содержанием радиоактивных нуклидов в организме.
Итак, согласно международным оценкам, тщательный анализ проведенных исследований позволяет прийти к выводу, что хотя лейкозы являются наиболее ранним радиационно-индуцированным канцерогенным эффектом, их роста, обусловленного воздействием аварийного облучения, не обнаружено ни у ликвидаторов, ни среди жителей загрязненных местностей.
Солидные формы опухолей
Отечественными специалистами и международными экспертами проанализированы многочисленные данные изучения заболеваемости различными солидными злокачественными новообразованиями (кроме рака ЩЖ) как среди ликвидаторов, так и жителей загрязненных территорий всех трех затронутых аварией стран. 498
Анализ показал, что среди жителей загрязненных территорий вообще не выявлено увеличения риска. Не обнаружено его и среди ликвидаторов, если не считать противоречивые оценки, полученные в разных странах, по причинам методологического несовершенства проводимого анализа. В исследованиях, проведенных в странах Европы, также не наблюдали увеличения онкологической заболеваемости или смертности, которые можно было бы отнести на счет аварии.
Возможными объяснениями, почему до сих пор не отмечено связанных с аварией радиационно-ассоциированных раков, могут быть неверная оценка доз, пролонгированный характер облучения и, наконец, относительно небольшой интервал времени после облучения. Как видно из графика на рис. 23.3, построенного У. К. Синклером на основании заболеваемости японцев, через два года после взрыва начинают появляться лейкозы, достигая максимума через 6—7 лет, а затем их частота постепенно уменьшается и к 25 годам риск лейкозов приближается к нулю. Солидные опухоли начинают развиваться через 10 лет после облучения, в последующие годы (до 40 лет и более) частота их нарастает, но и сегодня мы не располагаем достаточной информацией, позволяющей завершить кривую.
На рис. 23.4 схематически представлены начальные сроки регистрации лейкозов и шести видов солидных опухолей и их риски в течение 40-летнего наблюдения. Видно, что, во-первых, превышение риска некоторых видов злокачественных опухолей начинает наблюдаться только через 20 (рак молочной железы и рак легких) и даже 30 (рак толстого кишечника и множественные миеломы) лет после бомбардировки. Во-вторых, риск всех злокачествен-
Рис. 23.3. Вероятность появления радиационно-индуцированных онкологических заболеваний во времени после острого облучения (по У.К. Синклеру, 1984)
Время после облучения, годы
Рис. 23.4. Сроки регистрации повышения риска лейкозов и солидных опухолей у переживших бомбардировки Хиросимы и Нагасаки
(по И. Шигемацу, 1993):
латентный период; <=■ — период предполагаемого повышения заболеваемости, _ период регистрируемого повышения заболеваемости
ных новообразований, включая лейкозы, сохраняется и через 40 лет после облучения. Следует иметь в виду, что в абсолютных величинах частота заболеваемости в эти сроки весьма незначительна.
Приведенные данные о большой продолжительности латентных периодов для некоторых видов опухолей, а также длительные сроки сохранения повышенных рисков, наблюдаемые в японской когорте, свидетельствуют о том, что и после аварии на ЧАЭС в будущем нельзя исключить возможности незначительного увеличения числа солидных опухолей среди ликвидаторов и населения, получивших относительно более высокие дозы. Учитывая большую научную значимость данных о радиационном канцерогенезе 500
при низких уровнях облучения, исследованиям в данном направлении должно быть уделено особое внимание. При этом тщательному изучению должна подвергаться не только исследуемая, но и контрольная популяция, не подвергавшаяся радиационному воздействию.
Соматические расстройства здоровья
В обществе большую тревогу вызывают продолжающиеся до последнего времени сообщения о росте самых различных соматических расстройств здоровья, а также общей заболеваемости среди ликвидаторов и жителей загрязненных территорий, что обычно рассматривают исключительно как последствия облучения в малых дозах, не учитывая влияния других вредных факторов аварии нерадиационной природы. Этот важный вопрос детально изучен отечественными и международными специалистами и в «Отчете НКДАР-2000» ему дана квалифицированная экспертная оценка.
Большое внимание было привлечено к выявлению незлокачественных заболеваний ЩЖ. В проведенных оценочных работах, включая обширные скрининговые исследования в период 1991—1996 гг., охватившие 160 тыс. детей, не достигших к моменту облучения 10-летнего возраста, не выявлено увеличения риска гипертиреоза, гипотиреоза или зоба, которое можно было бы связать с радиационным воздействием. Не обнаружено также (в отличие от результатов отдельных небольших работ) увеличения уровня тиреоидных аутоантител.
Первое исследование всех прочих соматических последствий аварии среди репрезентативной выборки было проведено в рамках Международного чернобыльского проекта в 1990—1991гг. При этом были обнаружены существенные изменения здоровья населения в загрязненных и в контрольных районах, однако их нельзя отнести только к влиянию облучения. Этот вывод остался справедливым и в настоящее время. Так, например, гематологическое исследование 118 773 детей, проведенное по специальной программе в пяти международных центрах Белоруссии, России и Украины, показало, что частота гематологических нарушений не зависела от уровня загрязнения местности 137 Cs на момент аварии или на время обследования или от его концентрации в организме.
В ряде исследований сообщается об ухудшении здоровья и росте числа заболеваний сердечно-сосудистой, пищеварительной, нервной, эндокринной и костно-мышечной систем на загрязнен-
501
ных территориях по сравнению с теми же показателями у населения «чистых» районов и всего населения соответствующих стран. Отмечена также повышенная частота психических расстройств, случаев потери трудоспособности и инвалидности. Эти результаты, однако, по разным причинам не поддаются однозначному толкованию.
Во-первых, на местах далеки от совершенства регистрация, а следовательно, и статистика заболеваемости. Более того, были обнаружены факты больших (в 5 раз и более) различий в частоте одних и тех же заболеваний за один и тот же период времени, в одних и тех же регионах одними и теми же работниками, но в разных сообщениях (!).
Во-вторых, полученные результаты, хотя бы частично, могут быть объяснены более активным наблюдением за подвергшимся облучению населением.
В-третьих, есть все основания для того, чтобы связать увеличение заболеваемости с обусловленными аварией экономическими трудностями, психосоциальной травмой и стрессом.
Психологические и иные последствия аварии
Авария привела к долговременным изменениям в жизни людей, проживавших в загрязненных районах, поскольку меры по снижению уровней излучения включали переселение, изменения в поставках продовольствия и ограничения в повседневной деятельности отдельных лиц и целых семей. Эти события сопровождались большими экономическими, социальными и политическими переменами в затронутых аварией странах, вызванными распадом Советского Союза. Таким образом, психологические и иные последствия аварии, в том числе и многие расстройства здоровья, обусловлены не самим по себе облучением, а сопровождающими аварию социальными факторами.
Крайне сложными и трудными были решения о переселении людей, которые чувствовали себя незащищенными, а доверие к научному, медицинскому и политическому руководству из-за его лживого поведения в первые дни аварии было полностью утрачено. Отечественных профессионалов и международных экспертов, пытавшихся разъяснить реальную картину рисков и успокоить людей, воспринимали как вообще отрицающих риск, что усиливало недоверие и страх. Распространенное беспокойство, вызванное загрязнением окружающей среды, неправильно рассматривали 502
как радиофобию. На самом деле оно отражало опасение реальной угрозы, которую трудно измерить и локализовать, ибо ключевым фактором в восприятии риска является вопрос о том, в какой степени этот риск можно контролировать.
В процессе широкого изучения психологических последствий аварии сообщалось о таких симптомах, как головная боль, нарушение сна и эмоционального равновесия, неспособность концентрировать внимание. Убежденность многих людей в том, что наиболее вероятной причиной их плохого здоровья является длительное облучение в малых дозах, могла вызвать или усилить их недомогание. К сожалению, этому способствовали противоречащие мировому научному и практическому опыту «оригинальные» представления большой группы отечественных ученых об особой вредности для здоровья малых доз, особенно в условиях хронического воздействия.
Посттравматический стресс любого происхождения является устоявшейся категорией в психиатрической диагностике; он включает ночные кошмары и навязчивое переживание травмировавшего события, в данном случае, самого факта облучения. Социальные и экономические лишения людей, проживающих в загрязненных районах, усиливали их реакцию на стрессорные факторы, однако при этом не отмечалось корреляции с уровнем загрязнения. Самооценка этих людей оказывается низкой, отмечается ухудшение состояния здоровья, они не способны решать сложные социальные и экономические проблемы, а их неудовлетворительная психологическая адаптация еще больше обостряется. Кроме того, это способствует развитию алкоголизма и употреблению наркотиков. Склонность объяснить все проблемы аварией ведет к бегству от жизни, к «приобретенной опытом беспомощности», нежеланию сотрудничать, иждивенчеству и убеждению в том, что эти проблемы обязаны решать система социального обеспечения и правительство.
В большой степени все перечисленное относится и к ликвидаторам, особенно к не имевшим ранее профессиональных контактов с ионизирующим излучением. В результате в такой популяции населения и среди ликвидаторов имеются свидетельства повышенной частоты несчастных случаев (травм, дорожных происшествий, самоубийств, алкогольных отравлений и внезапных смертей по невыясненным причинам) по сравнению с населением не затронутых аварией областей.
В результате специального детального исследования этих вопросов группой Санкт-Петербургских ученых неудачный термин «радиофобия» заменен на емкое понятие «радиотревожность», которую характеризуют следующие показатели:
уровень субъективных оценок опасности радиации (критерий — опасность радиационного воздействия для собственного здоровья);
состояние информационной среды (критерии — частота и достоверность публикаций о биологическом действии радиации в специальной литературе и СМИ);
уровень радиационно-гигиенических знаний населения (критерий — научно обоснованное понятие «радиация» и ее свойства).
Одним из главных конечных и интегральных показателей состояния здоровья населения, используемых при любых эпидемиологических исследованиях, является статистика смертности, о значительном повышении которой, как следствии аварии, систематически появлялись сообщения в разных средствах информации. На самом деле, согласно данным специальных национальных регистров, ни среди ликвидаторов, ни среди населения ни на одной из затронутых аварией административных территорий показатели смертности не превышали показателей для населения в целом.
Итак, по прошествии 17 лет после Чернобыльской аварии не имеется свидетельств серьезного влияния ее радиационного фактора на здоровье абсолютного большинства людей. Исключение составляет значительно большее прогнозируемого увеличение рака ЩЖу лиц, находившихся во время облучения в детском возрасте. Не отмечено пока и увеличения общей заболеваемости злокачественными новообразованиями или смертности от них, которое можно было бы отнести за счет радиационного воздействия ни у населения, ни у ликвидаторов, получивших большие, чем население, дозы облучения. До сих пор не зарегистрировано ни одного случая радиационно-ассоциированных наследственных заболеваний или врожденных пороков развития. Нет научно обоснованных данных о возрастании частоты соматических заболеваний незлокачественного характера. Наблюдающиеся множественные
проявления расстройства здоровья имеют психосоциальную природу.
Говоря о возможных отдаленных радиологических последствиях, следует иметь в виду, что кроме лиц, находившихся в момент аварии в детском возрасте и заболевших раком ЩЖ, ликвидаторы являются единственной группой, в которой были получены достаточно большие дозы, что может привести хотя и к маловероятному, но статистически выявляемому увеличению уровня риска солидных форм рака, имеющих наиболее длительный латентный период. Этим определяется необходимость проведения соответствующих эпидемиологических исследований, организация которых требует, однако, тщательного высококвалифицированного мониторинга.
Итак, основной вывод, вытекающий из анализа медицинских последствий Чернобыльской аварии, совпадающий с заключением «Отчета НКДАР-2000», состоит в следующем.
Преобладающее большинство затронутого аварией населения не должно жить в страхе, опасаясь серьезных последствий для здоровья. По большей части эти люди подверглись облучению в дозах, несколько превышающих природный фон. При этом уровни облучения постоянно снижаются по мере распада радионуклидов. Авария резко нарушила порядок жизни людей, а для многих из них имела трагические последствия. Однако с позиций радиологической науки, а также сделанных экспертных оценок следует, что в отношении здоровья большинства людей должны преобладать благоприятные перспективы.
РЕЗЮМЕ
Следует отличать радиационные аварии от других событий, связанных с последствиями произвольного неконтролируемого облучения людей.
Существуют два вида медицинских последствий радиационных аварий — радиологические, обусловленные воздействием облучения, и соматические расстройства здоровья нерадиационной природы.
Радиологические последствия в виде детерминированных клинически значимых эффектов проявляются в ранние сроки после облучения при достижении определенного дозового порога; при низких уровнях облучения, что характерно для большинства затронутого аварией населения, радиологи-
505
ческие последствия сводятся к отдаленным стохастическим эффектам.
Детерминированные последствия аварии на Чернобыльской АЭС проявились в виде острой лучевой болезни всех степеней тяжести, частично со смертельными исходами, а стохастические — в виде резкого увеличения рака щитовидной железы у детей, бывших на момент облучения в возрасте менее 10 лет.
Соматические эффекты аварии на ЧАЭС в виде множественных расстройств здоровья имеют психосоциальную природу и не могут рассматриваться как непосредственный результат облучения.
В отношении здоровья абсолютного большинства людей, затронутых Чернобыльской аварией, а также их потомства преобладает благоприятный прогноз.
ГХ А ГЛАВА
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РЕГЛАМЕНТАЦИИ ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Соотношение опасности и пользы ионизирующих излучений Международная и национальная структура органов радиационной защиты
Концепция биологического риска и ее роль в оценке последствий облучения по сравнению с риском от нерадиационных агентов
Детерминированные и стохастические эффекты облучения Регламентация радиационного воздействия в России Эволюция рекомендаций МКРЗ
Нормирование или регламентация ионизирующих излучений является главной составляющей разработки мер радиационной защиты, состоящей в минимизации вредных последствий облучения на здоровье человека.
Правомерно ли, однако, в принципе говорить о нормировании радиационного фактора, если его вредное биологическое действие общеизвестно, а об индифферентности и тем более о положительных эффектах минимальных уровней облучения нет единой точки зрения?
На поставленный вопрос следует без всяких сомнений ответить утвердительно, даже если отбросить его вторую, пока не всеми признанную часть, и заведомо исходить из признания только вредных последствий облучения. Отсутствие альтернативы в решении этого вопроса объясняется, во-первых, неизбежным пребыванием живого мира на всем протяжении его существования в условиях постоянного воздействия радиационного фона (см. гл. 22), а во-вторых, — постоянным расширением радиационных контактов человека в связи с бурным техническим прогрессом.
Поэтому ионизирующее излучение, как и любые другие агенты внешней среды нерадиационной природы, окружающие человека в повседневной жизни и зачастую не только не безразличные, но и заведомо вредные, требуют разумного нормирования и узаконенной системы регламентации. Другими словами, должны быть обеспечены необходимые меры радиационной безопасности для ра-
507
ботающих с источниками ионизирующих излучений (профессионалов), всего населения и объектов окружающей среды.
Под радиационной безопасностью понимают комплекс научно обоснованных мероприятий по обеспечению защиты от воздействия ионизирующего излучения, включающий: разработку критериев оценки опасности ионизирующего излучения для отдельных групп людей, а также популяции в целом и природных объектов окружающей среды; способы и методы оценки радиационной обстановки, ее контроля и прогнозирования; проектные, технические, медико-санитарные и организационные мероприятия, обеспечивающие безопасные для здоровья условия использования ионизирующего излучения в сфере деятельности человека.
Вопросы терминологии
Среди последствий неблагоприятного действия ионизирующих излучений четко установить связь ущерба здоровью с действием именно радиации можно лишь в отношении лучевой болезни, которой присущ характерный только для нее симптомоком- плекс. Характерные признаки лучевой болезни в условиях острого облучения могут быть надежно зарегистрированы, начиная с дозы в 1 Гр. Поэтому в радиобиологии человека дозы свыше 1 Гр рассматриваются как высокие, непременно сопровождающиеся преходящим или постоянным ущербом для здоровья. При более низких дозах облучения не возникает поражений, присущих действию исключительно радиационного агента, поэтому регистрируются заболевания, которыми человечество страдает вне всякой связи с повышенным, по отношению к фоновому уровню, облучением. Выявить повышение уровня заболеваемости при дозах менее 1 Гр удается не у индивидуального объекта, а только статистическими методами, путем сравнения частоты проявления изучаемого отклонения от нормы в облученных и контрольных группах. При этом чем ниже доза, тем меньше превышение над «базовым», спонтанным уровнем заболеваемости и тем труднее оно выявляется, так как спонтанный уровень подвержен существенным колебаниям. Например, заболеваемость определенными видами злокачественных новообразований широко варьирует в разных регионах одной и той же страны, меняется от одной национальной группы к другой (это связано, например, с привычками в питании), имеет выраженный временной тренд (возрастает число заболеваний, обусловленных курением, снижением деторождения и т. д. и 508
снижается число других видов онкологических заболеваний). Широко варьирует среди отдельных групп населения и частота пороков развития.
Образцовым примером эпидемиологических исследований является японская когорта «Пожизненного исследования» (называемая также когортой «Изучения продолжительности жизни», Life span study), описанная в гл. 17.2.2 и 17.2.3. Подбор контрольной когорты в такого рода исследованиях производится так, чтобы лица в ней совпадали по всем показателям с лицами изучаемой когорты, за исключением фактора облучения.
В столь обширном исследовании, включавшем на начальном этапе более 80 тыс. облученных лиц, удалось выявить нижнюю границу статистически значимого увеличения заболеваемости над фоновым уровнем. Нижней границей таких доз, рассматриваемых как «промежуточные» между дозами, ущерб здоровью при которых не определяется даже в столь обширных исследованиях, и дозами, ущерб здоровью от которых не вызывает сомнения, по представлениям разных авторов, является 0,2 или 0,1 Зв. В данной книге, с позиций безопасного применения радиации, в качестве нижней границы промежуточных доз принята величина 0,1 Зв.
Эквивалентные дозы острого облучения менее 1 Зв, или протяженного облучения мощностью 0,1 Зв/год и ниже (при условии, что доза, полученная на протяжении жизни, не превзойдет 1 Зв) рассматриваются как низкие (о них принято также говорить, как о низких уровнях облучения).
Низкие уровни облучения представляют особый интерес в связи с тем, что именно такие дозовые нагрузки получает население и подавляющее большинство профессионалов в штатных условиях использования техногенных источников излучения. Более того, даже после крупных радиационных аварий дозовые нагрузки подавляющего большинства жителей затронутых аварией территорий не превышают указанный предел. В данном диапазоне низких уровней облучения не выявляются статистически достоверные отличия над фоновым уровнем в распространенности (частоте) стохастических эффектов — злокачественных новообразований и генетических последствий, врожденных уродств, а тем более детерминированных эффектов и других нарушений здоровья.
Современные биохимические, биофизические методы и лабораторные исследования и при этих низких уровнях облучения четко выявляют следы воздействия радиационного фактора, что вполне естественно, так как клетка, в которой происходят процессы ионизации, выступает в роли физического дозиметра. Однако ни одно из выявляемых изменений не свидетельствует об ухудшении здоровья.
Международная деятельность в областирадиационной защиты
Проблема защиты населения от действия ионизирующих излучений имеет глобальный характер, а потому соответствующие научно-исследовательские и организационные мероприятия разрабатываются международными организациями, рекомендации которых используются отдельными странами при составлении собственных национальных регламентов.
Первый международный акт такого рода был предпринят в 1928 г., когда на 2-м Международном радиологическом конгрессе в Стокгольме был создан Комитет по защите от рентгеновских лучей и радия. В 1950 г. Комитет был реорганизован в Международную Комиссию по радиологической защите (МКРЗ). В 1956 г. МКРЗ вступила в организационные отношения со Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в качестве «неправительственной соучаствующей организации». Согласно уставу, МКРЗ анализирует и обобщает все достижения в области защиты от ионизирующих излучений и периодически разрабатывает соответствующие рекомендации, исходя из основных научных принципов. В декларациях МКРЗ подчеркивается, что она предоставляет национальным комиссиям по защите от излучений отдельных стран право и ответственность за применение рекомендуемых в ее публикациях инструкций или правил соответственно внутригосударственным условиям. Такая комиссия по радиационной защите (РНКРЗ) существует и в России.
МКРЗ в настоящее время состоит из главной комиссии и четырех комитетов, состав которых обновляется один раз в четыре года. В число членов МКРЗ входят и представители России. Членом Главной комиссии МКРЗ в период с 1993 по 2001 г. был академик РАМН Л.А. Ильин, а с 2001 г. этот пост занимает академик РАСХН Р.М. Алексахин.
МКРЗ тесно сотрудничает с Международной комиссией по радиационным единицам и измерениям (МКРЕ).
В 1955 г. при ООН организован Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР), осуществляющий сбор и анализ международной информации о различных аспектах действия ионизирующих излучений на живые организмы. НКДАР периодически получает задания от Генеральной Ассамблеи ООН и осуществляет их выполнение, привлекая для этих целей МКРЗ, МКРЕ и другие организации в тесном сотрудничестве с ВОЗ. Изучением последствий облучения занимается и американский Комитет по биологическому действию ионизирующих излучений (BEIR).
Все перечисленные международные организации в своих публикациях и других документах предлагают лишь рекомендации по основным принципам регламентирования действия радиации, а также обосновывают проблемы, нуждающиеся в дальнейшей научной разработке. Эти рекомендации не являются обязательными для принятия в законодательные акты и документы отдельных стран.
Существует еще одна международная организация — Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), курирующая вопросы, связанные с радиационной безопасностью на всех этапах работ по мирному использованию атомной энергии. МАГАТЭ является официальной организацией ООН, и все страны — члены МАГАТЭ — обязаны выполнять утвержденные ею официальные нормы и правила обращения с источниками ионизирующих излучений, если возникающие при этом вопросы касаются межгосударственных отношений.
Наиболее представительной и авторитетной международной организацией, обобщающей и анализирующей научные данные по действию ионизирующих излучений на организм человека и человечество в целом, является НКДАР ООН. В плане подготовки конкретных рекомендаций для разработки национальных стандартов и регламентов при работе с ионизирующими излучениями такой организацией является МКРЗ, а в плане официальных международных соглашений по вопросам использования атомной энергии — МАГАТЭ.
Регламентация радиационного воздействияв России
Вопросами гигиенического нормирования (регламентации) ионизирующих излучений в России занимается научная комиссия по радиационной защите, действующая в качестве консультатив-
511
ного органа при РАМН. Она объединяет ведущих ученых страны, работающих в области радиационной защиты, и в настоящее время (2004 г.) возглавляется академиком РАМН А.Ф. Цыбом. В функции РНКРЗ входит инициирование, обобщение и анализ отечественных и зарубежных исследований по вопросам обеспечения радиационной безопасности в различных отраслях деятельности человека, а также систематическое совершенствование законодательных актов, регламентирующих радиационное воздействие на человека и окружающую среду.
В 1953 г. в Советском Союзе были опубликованы первые «Санитарные правила и нормы при работе с радиоактивными изотопами», которые с учетом достижений науки и практики постоянно дополнялись и совершенствовались. К 2004 г. существуют следующие основные регламентирующие документы:
Федеральный закон «О радиационной безопасности населения» — ФЗ № 3 от 09. 01.1996 г.
Федеральный закон «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» — ФЗ №52 от 30.03.1999 г.
«Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности» — ОСПОРБ-99.
«Нормы радиационной безопасности» — НРБ-99.
НРБ-99 (далее — Нормы) являются основополагающим документом, регламентирующим требования Федерального закона «О радиационной безопасности населения» в форме основных пределов доз, допустимых уровней воздействия ионизирующего излучения и других требований по ограничению облучения человека. Требования и нормативы, установленные Нормами, являются обязательными для всех административных органов и граждан Российской Федерации, а также проживающих на ее территории иностранных граждан.
Нормы устанавливают, что обеспечение радиационной безопасности основывается на трех принципах:
Принципе нормирования — непревышении допустимых пределов индивидуальных доз облучения граждан от всех источников излучения.
Принципе обоснования — запрещении всех видов деятельности по использованию источников излучения, при которых полученная для человека и общества польза не превышает риск возможного вреда, причиненного дополнительным облучением.
Принципе оптимизации — поддержании на возможно низком и достижимом уровне, с учетом экономических и социальных факторов, индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц.
512
Нормы распространяются на облучение человека:
в условиях нормальной эксплуатации техногенных источников излучения;
в результате радиационной аварии;
от природных источников излучения;
при облучении в медицинских целях.
В Нормах, относящихся к ионизирующему излучению, учтено, что излучение является одним из множества источников риска для здоровья человека и что риски, связанные с воздействием излучения, должны не только соотноситься с выгодами от его использования, но и сопоставляться с рисками нерадиационного происхождения.
КАТЕГОРИИ ОБЛУЧАЕМЫХ ЛИЦ, ДОЗОВЫЕ ПРЕДЕЛЫ,ЭФФЕКТИВНАЯ И ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗЫ
Для нормальных условий эксплуатации источников излучения установлены три категории облучаемых лиц: персонал, подразделяемый на группы А и Б, и население, которое включает и лиц из персонала, но вне сферы их производственной деятельности.
Для этих категорий устанавливаются следующие три класса нормативов.
Основные пределы доз для персонала и населения, причем основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни облучения, для персонала группы Б равны 1/4 значений для персонала группы А. Пределы годовой эффективной дозы, приведенные в табл. 24.1, не должны превышаться и в случаях одновременного воздействия на человека источников внешнего и внутреннего облучения.
Допустимые уровни монофакторного воздействия (для одного радионуклида, пути поступления или одного вида внешнего облучения), являющиеся производными от основных пределов доз: пределы годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые объемные активности (ДОА) и среднегодовые удельные активности (ДУА) и др.
Контрольные уровни (дозы, уровни, активности, плотности потоков и др.). Их значения должны учитывать достигнутый в организации уровень радиационной безопасности и обеспечивать условия, при которых радиационное воздействие будет ниже допустимого.
Таблица 24.1. Основные пределы доз для персонала и населения, мЗв
Нормируемые величины
Пределы доз
Персонал (группа А)
Население
Эффективная год
доза за
20 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более
50 мЗв/год
1 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв/год
Эквивалентная доза за год:
в хрусталике глаза
в коже
в кистях и стопах
150
500
500
15
50
50
Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) — 70 мЗв. Начало периодов вводится с 1 января 2000 г. '
Для женщин в возрасте до 45 лет, работающих с источниками излучения, вводятся дополнительные ограничения: эквивалентная доза на поверхности нижней части области живота не должна превышать 1 мЗв/мес, а поступление радионуклидов в организм за год не должно быть более 1/20 предела годового поступления для персонала. В этих условиях эквивалентная доза облучения плода за 2 мес невыделенной беременности не превысит 1 мЗв.
Для сравнения приведем дозы, получаемые жителями Москвы за одну рентгенодиагностическую процедуру в 1999 г.: при рентгенографии — 1,33 мЗв; рентгеноскопии — 5,02 мЗв; флюорографии — 0,6; компьютерной томографии — 3 мЗв. Наибольшую дозу человек получал при обзорной рентгенографии почек и урографии — 46 мЗв. В среднем на одного жителя эффективная годовая доза составила 2 мЗв.
Основные дозовые пределы приведены в единицах эквивалентной дозы (Зв), используемой при радиационном нормировании и оценке опасности хронического воздействия ионизирующего излучения произвольного состава. Эквивалентную дозу (Н) в органе или ткани определяют из уравнения Н = D WR где D — средняя поглощенная доза в органе или ткани, a WR — взвешивающий коэффициент для излучения R. При воздействии нескольких видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз. Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучений, учитывающие их относительную эффективность в индуцировании биологических эффектов, представлены ниже.
Фотоны любых энергийФотоны любых энергийВзвешивающийкоэффициент115102010520Взвешивающийкоэффициент115102010520Вид излучения
Фотоны любых энергий
Фотоны любых энергий
Взвешивающийкоэффициент
1
1
5
10
20
10
5
20
Взвешивающийкоэффициент
1
1
5
10
20
10
5
20
Электроны и мюоны любых энергий
Нейтроны с энергией менее 10 кэВ
Нейтроны с энергией от 10 до 100 кэВ
Нейтроны с энергией от 100 кэВ до 2 МэВ
Нейтроны с энергией более 20 МэВ
Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи.
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра
Орган или тканьВзвешивающий
коэффициент
Гонады 0,20
Костный мозг (красный) 0,12
Толстый кишечник, легкие, желудок 0,12
Мочевой пузырь, грудная железа, печень, пищевод, щитовидная железа 0,05
Кожа, клетки костных поверхностей 0,01
Остальное 0,05
Из выше сказанного следует, что самым большим взвешивающим коэффициентом риска отдаленных последствий обладают гонады. Это связано с тем, что при их облучении в половых клетках могут возникнуть не только соматические, но и генетические эффекты, а именно возрастает вероятность наследственных заболеваний (при больших дозах воздействия).'
Помимо перечисленных понятий, в радиационной безопасности широко используются также термины годовой и коллективной эффективной, или эквивалентной доз.
Годовая эффективная (эквивалентная) доза — это сумма эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением за этот же год в организм радионуклидов.
Коллективная эффективная доза — это мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения, равная сумме индивидуальных коллективных доз; она измеряется в человеко-зивертах (чел. • Зв).
В условиях радиационных аварий необходимо проводить специальные мероприятия по ограничению острого и хронического облучения населения. Для таких случаев в Нормах предусмотрены прогнозируемые уровни облучения, при которых необходимо срочное вмешательство, направленное на снижение либо вероятности облучения, либо дозы, либо неблагоприятных последствий. Кроме того, разработаны критерии для принятия неотложных решений в начальном периоде радиационной аварии, а также таких форм вмешательства, как отселение населения и ограничение потребления загрязненных пищевых продуктов, и, кроме того, указаны требующие вмешательства уровни хронического воздействия. 516
Дискуссионные вопросы теории и практикирегламентации облучения
Во всех публикациях МКРЗ, включая последнюю, 60-ю, за основу нормирования принимается линейная беспороговая концепция (ЛБК) действия излучения. Напомним, что отсутствие порога принимается в первую очередь в отношении канцерогенного действия, исходя из того, что воздействие радиации на клетку является стохастическим, и при какой угодно малой дозе какое-то количество клеток будет поражено. Вероятностным является и процесс полного восстановления исходной структуры ДНК пораженной клетки, так как никогда нельзя исключить ошибочность репаративного процесса. Таким образом, с одной стороны, теоретически нельзя исключить и вероятность гибели всего организма, состоящего из многих миллиардов клеток, от изменений ДНК всего в одной клетке, произошедших в результате нескольких кластеров ионизации. Но, с другой стороны, помимо репарации ДНК, в клетке действует и система надзора за структурой ДНК, которая при обнаружении повреждений ДНК принуждает клетку прибегнуть к апоптотической гибели. В периодах Gx и GT клеточного цикла имеется несколько сверочных точек, где проверку ДНК на повреждения осуществляют белки, кодируемые различными генами (см. гл. 6).
Таким образом, защита организма от последствий изменения ДНК, вызванного различными причинами, имеет несколько уровней. Поэтому наряду с упомянутой возможностью гибели организма от нескольких актов ионизации ДНК одной клетки можно говорить о принципиальной возможности снижения вероятности такого процесса до столь низкого уровня, при котором практически существует порог дозы, ниже которого дополнительный радиационно-индуцированный эффект не может быть обнаружен.
Как уже неоднократно говорилось, зависимость действия излучения от дозы в диапазоне малых доз на уровне организма неизвестна. В настоящее время нет фактов, на основании которых можно было бы решить, убывают ли неблагоприятные последствия облучения линейно с дозой вплоть до нуля, или зависимость доза—эффект в области малых доз нелинейна, так что существует пороговая доза, ниже которой облучение не причиняет вреда. Например, если считать, что недостаточность репарации или ее оши-
Доза излучения, ГрДоза излучения, ГрРис. 24.1. Типичная зависимостьчастоты возникновения рака отдозы излучения (по И. В. Фи-люшкину, 1988):
Доза излучения, Гр
Доза излучения, Гр
в области наблюдения эффект регистрируется четко, в области прогноза — требует теоретической оценки;
сплошная линия — математическая мо-дель, аппроксимирующая наблюдаемыйучасток зависимости; пунктирная —вариант поведения математическоймодели, экстраполирующей наблюде-ния в область малых доз в зависимо-сти от принятой априорно гипотезы(риска или порога); Dp — пороговая(?) доза
бочность всегда составляют определенный процент от нанесенных ДНК повреждений, то вероятность поражения клетки сохранится до любых, сколь угодно низких доз излучения. Но вполне возможно, что процессы репарации способны полностью элиминировать какое-то число повреждений ДНК, и недостаточность этих процессов начинает проявляться только после нанесения клетке ббль- шего числа повреждений. В этом случае последствия облучения начнут проявляться только при дозах сверх некоторых «пороговых».
Применительно к канцерогенному эффекту эта ситуация наглядно представлена на рис. 24.1, из которого видно, что пока нельзя отдать предпочтение ни одной из существующих моделей и описывающим их теоретическим кривым.
В условиях, когда, с одной стороны, теория или фактические данные не могут служить четким указанием на форму кривой доза—эффект для различных видов ущерба здоровью в области малых доз, а с другой — человек постоянно подвергается действию природных и техногенных источников излучения, необходимая для законодательного обеспечения охраны здоровья регламентация уровней облучения основывается на установлении некоторых предельных значений доз, ниже которых вред, причиняемый облучением, настолько мал, что становится приемлемым как для общества, так и для отдельных людей. Предел дозы выбирают на основе опыта работы. Как известно из истории нормирования, он уменьшался несколько раз, пока не достиг нынешнего уровня, сохраняющегося практически неизменным с 1955 г., причем истекшие 518
50 лет мировой практики подтвердили надежность принятой величины.
Если учесть, что канцерогенный риск малых доз радиации как медико-биологическая категория является категорией теоретической, то следует признать далеко не безупречным наиболее распространенный и принятый МКРЗ метод прогноза стохастических последствий низких уровней облучения, основанный на ЛБК. Последняя, как уже давно было отмечено [Моул Р., 1975], не имеет достаточного теоретического обоснования, а принимаемые на ее основе решения имеют скорее административный, а не научный характер.
Легко показать, что решение вопроса на эпидемиологической основе невозможно из-за необходимости оперировать данными, полученными на гигантских человеческих популяциях. Если, согласно НКДАР, принять естественную заболеваемость раком за 1, а избыточную за счет облучения — 1,25 • 10-2 Зв-1 в соответствии с 26-й публикацией МКРЗ, тогда избыточный эффект при облучении в дозе 0,01 Зв может быть зарегистрирован, если размер облучаемой популяции будет больше 3,2 • 106 человек: при снижении дозы на порядок размер популяции увеличивается на два порядка [Лэнд К., 1981]. Вовлечение же в эпидемиологическое исследование групп такой численности, да еще достаточно однородных — невыполнимая задача. Отсюда и процедура экстраполяции к малым дозам, по существу, осуществляет переход наблюдаемой величины риска в ненаблюдаемую и теоретически необоснованную [Филюшкин И.В., 1988].
Оценка вероятных последствий облученияи степень риска, обусловленная нерадиационнымифакторами
Несмотря на экспериментальные данные, несомненно свидетельствующие о зависимости проявления генетических и тем более соматических эффектов облучения от мощности и величины дозы, их считают недостаточными для изменения существующих принципов нормирования, если учесть огромную ответственность такой рекомендации перед человечеством.'
Несовершенство наших знаний может быть наглядно продемонстрировано на примере трудностей, с которыми сопряжено определение удваивающей дозы, которая при изменении мощности дозы варьирует в зависимости от пола, вида мутации (генная или хромосомная), стадии гаметогенеза, а также от локуса к локусу. Поэтому в настоящее время нельзя провести строго количественную оценку удваивающей дозы, которая, согласно большинству исследователей, расположена в интервале от0,1 до 1 Гр.
В МКРЗ созданы рабочие группы, призванные разработать основные стандарты радиационной защиты на основе анализа имеющейся научной информации о влиянии на генетические и соматические реакции пролонгирования облучения во времени в зависимости от ЛПЭ. Пока же при оценке возможных последствий облучения учитывается не только степень риска, но и биологическая важность регистрируемого нарушения и вероятность его возникновения в сравнении с реакциями на другие нежелательные факторы, постоянно встречающиеся в процессе жизнедеятельности человека.
По-видимому, в этом плане целесообразно различать абсолютный риск — частоту определенных патологических эффектов, вызванных воздействием изучаемого фактора, и относительный риск — отношение частоты этих эффектов к аналогичным последствиям, вызываемым другими (известными или неизвестными) воздействиями. Использование таких оценок позволяет определить количественные критерии риска, способствуя более определенному суждению об этой проблеме.
Такая точка зрения совпадает с мнением Комитета экспертов ВОЗ, определившего, что «цель эффективной программы радиационной защиты — не только снизить радиационную опасность за счет сокращения источников облучения, но также увеличить и расширить применение ионизирующих излучений во всем многообразии форм и возможных областей их использования. Решение проблемы заключается в нахождении оптимального соотношения известной опасности вредного воздействия и преимуществ использования радиации в интересах человека. При этом уровень неизбежного воздействия должен быть настолько низким, чтобы его можно было не принимать во внимание на фоне обычных вредностей в условиях современного цивилизованного общества».
В повседневной жизни человек подвергается воздействию различных факторов внешней среды, которые, став «привычными», могут оказаться значительно более опасными, нежели радиационные.
520
Весьма показательны в этом плане сравнительные данные, приводимые Дж. Когглом (1983), о вероятности гибели (среднегодовой показатель) для отдельных лиц:
Степень риска
1 из 200
1 из 6000
1 из 10 000
1 из 20 000
1 из 30 000
1 из 100 000
Фактор
Выкуривание 20 сигарет в сутки Транспортные происшествия Несчастные случаи в быту Несчастные случаи на производстве Утопление
Каждые 20 мин для возраста после 60 лет; езда в автомобиле на расстояние 50 миль; удар молнии; 90 мин подъема в горы
Из приведенных примеров следует, что по современным оценкам уровень риска возникновения радиационного поражения человека при принятых в настоящее время допустимых уровнях воздействия намного меньше риска от факторов нерадиационной природы.
Вероятность сокращения продолжительности жизни на каждую 0,01 Гр составляет, по-видимому, 1 ■ 10~4 средней продолжительности жизни. При средней продолжительности жизни, равной 70 годам, сокращение ее при общем облучении составляет 3 сут на 0,01 Гр, или 1 год/Гр. Следует учесть, что данная оценка может быть завышена. Она не учитывает, в частности, результаты наблюдений за лицами, перенесшими атомную бомбардировку в Японии, продолжительность жизни которых не только не уменьшена, а даже превышает соответствующие показатели среди лиц контрольной когорты.
Далее, даже в соответствии с ЛБК вероятность (К) появления злокачественного новообразования у человека, подвергшегося облучению в дозе 0,01 Зв, как эффекта его облучения в эквивалентной дозе (Я) выражается R = КН, где К= 1,25 • 10 ~2 Зв "' — коэффициент риска.
Следовательно, в связи с облучением в дозе 0,01 Зв вероятность заболеть (в дополнение к вероятности, имеющейся у любого человека и без дополнительного облучения) повышается на 0,000125. Если в такой же дозе 0,01 Зв окажется облученным большой контингент численностью, например, в 1 млн человек, то в соответствии с соотношением R = КН можно ожидать, что среди них появится 125 больных сверх ~ 10 ООО «спонтанно» заболевших. Однако
никогда нельзя предсказать, какой именно человек из облученных лиц пострадает именно от воздействия излучения.
Таким образом, речь идет лишь об оценке вероятности осуществления этого события, являющегося исходом случайных процессов.
Независимо от всего сказанного, в связи с недостаточными знаниями механизмов стохастических эффектов, а также с явно недостаточным опытом наблюдения за соматическими проявлениями воздействия малых доз радиации (особенно радионуклидов в разных соотношениях) на организм человека любые оценки должны иметь надежные коэффициенты запаса.
Подготовка новых рекомендаций МКРЗ
В связи с 75-летием со дня основания МКРЗ ее председатель Р. Кларк (2003), проанализировав эволюцию системы радиационной защиты, обосновал необходимость разработки новых рекомендаций, которые предполагается опубликовать в 2005 г. Адресуя интересующихся к первоисточнику, здесь остановимся лишь на основных предполагаемых изменениях.
Со времени последних общих рекомендаций МКРЗ, опубликованных в 1990 г., появились новые экспериментальные и эпидемиологические данные в области радиационной безопасности, многие из которых служат основанием для внесения в новые рекомендации ряда принципиальных дополнений и изменений.
Установление стандартов защиты человека и биоты должно достигаться без неоправданного ограничения тех рациональных видов деятельности и образа жизни, которые ведут к облучению или к повышению его дозы. Значительно усиливается ориентация защиты человека на уровень индивидуума — установление зависимости между излучением отдельного источника и дозой облучения индивидуума. При этом признается, что коллективная доза, являющаяся узаконенной арифметической величиной, в то же время содержит избыточную информацию, а потому имеет ограниченное использование. В частности, неверная интерпретация коллективной дозы приводит к серьезному искажению (увеличению — примеч. авторов) прогноза стохастических эффектов и смертельных исходов.
Отправной точкой при выборе уровней, для которых устанавливаются те или иные ограничения, может быть озабоченность, связанная с облучением в дозе, близкой к годовой эффективной дозе от всех естественных источников, включая радон, которая, по данным «Отчета НКДАР-2000», равна 2,4 мЗв.
Тот факт, что эффективная доза от естественного фона в глобальных масштабах варьирует примерно в 10 раз и более, поддерживает точку зрения, согласно которой озабоченность должна быть повышенной, начиная с верхней границы природного фона.
Ниже приведены уровни озабоченности опасностью облучения при разных индивидуальных эффективных годовых дозах.
Индивидуальная эффективнаядоза за годБолее 100 мЗвБолее нескольких десятков мЗв1 — 10 мЗвМенее 1 мЗвМенее 0,01 мЗвИндивидуальная эффективнаядоза за годБолее 100 мЗвБолее нескольких десятков мЗв1 — 10 мЗвМенее 1 мЗвМенее 0,01 мЗвУровень озабоченности
Индивидуальная эффективнаядоза за год
Более 100 мЗв
Более нескольких десятков мЗв
1 — 10 мЗвМенее 1 мЗвМенее 0,01 мЗв
Индивидуальная эффективнаядоза за год
Более 100 мЗв
Более нескольких десятков мЗв
1 — 10 мЗвМенее 1 мЗвМенее 0,01 мЗв
Высокий
Повышенный
Низкий
Очень низкий
Нет озабоченности опасностью облучения
Согласно ожидаемым оценкам, уже при индивидуальной эффективной дозе, превышающей 100 мЗв/год, риск от источника излучения не может считаться оправданным, за исключением чрезвычайных случаев, например при спасении жизни во время аварий или в пилотируемых космических аппаратах. Индивидуальные дозы около 500 мЗв при остром облучении могут вызвать ранние детерминированные эффекты или значительно повысить вероятность возникновения онкологических заболеваний как при остром облучении, так и в случае, если радиационное воздействие в этой дозе охватывает несколько десятков лет.
Отдельно детально рассматривается облучение в медицинских целях. Акцент здесь делается на оправданность медицинских процедур. Ограничение дозы для отдельного пациента не рекомендуется, если оно принесет больше вреда, чем пользы, вследствие снижения эффективности диагностики или лечения.
Важное ожидаемое изменение касается отношения к вопросу о линейности. Если ныне действующие рекомендации полностью исходят из признания ЛБК, то в новых рекомендациях уточняется сама беспороговая концепция, в частности границы ее применения, например, при дозах, превышающих несколько мЗв в год, что, по сути, равносильно официальному признанию порога.
Таким образом, изменения в проекте будущих рекомендаций МКРЗ, с одной стороны, отражают ее озабоченность, в связи с чем
523
намечается некоторое ужесточение регламентов. С другой стороны, будущие рекомендации направлены на преодоление необоснованно преувеличенных прогнозов стохастических эффектов при низких уровнях облучения, что выражается в ограничении интерпретации коллективной дозы и в пересмотре ЛБК с фактическим признанием пороговых значений низких уровней облучения.
РЕЗЮМЕ
Регламентация облучения человека преследует максимальное обеспечение радиационной безопасности при низких уровнях облучения и по существу сводится к минимизации отдаленных стохастических эффектов.
МКРЗ является главной международной организацией, разрабатывающей рекомендации по радиационной защите, которые предназначены для использования национальными комиссиями по радиологической защите в соответствии с внутригосударственными условиями.
В России главными регламентирующими документами являются «Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности» (ОСПОРБ-99) и Нормы радиационной безопасности (НРБ-99).
Наиболее дискуссионным является вопрос о зависимости частоты радиационно-индуцированного рака от дозы излучения. Если в области реального наблюдения эффект четко регистрируется, то в области прогноза (при минимальных уровнях облучения) он требует теоретической оценки. Иными словами, канцерогенный риск при низких уровнях облучения с медико-биологических позиций остается категорией теоретической.
Во время написания этой книги регламентация облучения претерпевает процесс эволюционных изменений в связи с подготовкой новых рекомендаций МКРЗ, которые должны быть опубликованы в 2005 г.
В проекте новых рекомендаций радиационная защита человека ориентируется на уровень защиты индивидуума при резком ограничении понятия коллективной дозы.
Предполагается пересмотр линейной беспороговой концепции и возможных границ ее применения при уровнях излучения в несколько мЗв.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ТРЕТЬЕЙ ЧАСТИ
Завершая изложение вопросов радиационной безопасности, сделаем основные выводы:
Определяющую роль в обеспечении радиационной безопасности человека играет регламентация облучения отдельных категорий людей — профессионалов и населения — в обычной жизни, профессиональной деятельности, а также в условиях, возникающих при неконтролируемых радиационных ситуациях, в частности при авариях.
Основным регламентирующим документом являются национальные нормы радиационной безопасности, подготовка которых осуществляется с учетом рекомендаций МКРЗ и на основе новейших данных радиобиологии и радиационной медицины.
Главная задача регламентации низких уровней облучения состоит в минимизации отдаленных стохастических эффектов, конкретнее — канцерогенного риска как основного вероятностного реального эффекта низких уровней облучения. Существующие регламенты не только обеспечивают решение этой задачи, но и обладают большим запасом прочности.
В последнее время обсуждается возможность развития отдаленных детерминированных эффектов малых доз излучения в виде функциональных расстройств некоторых жизненно важных систем (например, сердечно-сосудистой и ЦНС), которые, возможно, являются следствием скрытых повреждений в клетках мало обновляющихся тканей. Этот вопрос нуждается в дальнейшем уточнении.
До последнего времени при разработке регламентов МКРЗ, а вслед за ней и НКРЗ, принимали за основу простую и весьма удобную линейную беспороговую концепцию (Л БК), хотя она не имеет серьезного научного обоснования. Консервативность этой позиции МКРЗ сохраняется до последнего времени, несмотря на невозможность ни экспериментального, ни эпидемиологического изучения канцерогенных эффектов при низких уровнях облучения, а также на наличие множества фактов, не подтверждающих ЛБК. Можно полагать, что в ожидаемых к 2005 г. новых рекомендациях МКРЗ вопрос о пороговости будет пересмотрен.
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫРАДИОБИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА(ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ)
Завершая книгу, отметим, что, несмотря на прогресс общей радиобиологии и особенно радиобиологии человека, много важных вопросов либо не разрешены и остаются предметом дискуссий, либо поставлены заново в результате развития науки последних лет. И это совершенно естественно, так как процесс познания подчиняется правилу Зенона: расширение круга новых знаний неизбежно сопровождается возникновением ранее неизвестных фактов или явлений.
Анализ нерешенных, дискуссионных и подлежащих изучению проблемных вопросов, а также планирование и осуществление соответствующих исследований, направленных на их решение, составляет научно-практические перспективы радиобиологии. Попытаемся выделить главные, по нашему мнению, аспекты проблемы и изложить собственную позицию в оценке некоторых дискуссионных вопросов. Вначале рассмотрим возможности и ограничения экстраполяции результатов экспериментальных исследований на человека.
Радиобиология — типичная экспериментальная наука, в которой исследования осуществляются на всех уровнях биологической организации — от молекулярного до организма. Как и в других отраслях медицины, изучению патогенетических механизмов лучевых поражений человека, а также поиску средств их ослабления и лечения предшествует их многостороннее изучение в экспериментах на животных. Преимущество лабораторных животных состоит в том, что они являются гомогенной популяцией с минимальной биологической вариабельностью, что позволяет устранить влияние мешающих факторов. И хотя в исследованиях на животных, как правило, включается меньшее число особей, чем индивидов при эпидемиологических исследованиях, преимущество первых в том, что они выполняются в контролируемых условиях с хорошими оценками дозы и возможностями воспроизведения получае- 526
мых результатов, а это служит надежной количественной основой для принципиальных выводов.
Многочисленные примеры подобных исследований приведены в большинстве глав двух первых частей учебника. В то же время не менее важным является анализ трудностей или запрета прямых экстраполяций на человека многих экспериментальных данных, с тем чтобы уберечься от опрометчивых заключений.
При описании отдаленных последствий облучения (см. гл. 17) было показано, как резко снижается вероятность генетических нарушений, а потому и удваивающая доза в ряду дрозофила — мышь — человек, в потомстве которого они пока вообще не обнаружены ни в одной из облученных когорт, хотя пристальное наблюдение уже ведется на протяжении полувека.
Данное важное явление, на наш взгляд, может быть объяснено различным функционированием репарационных систем, которые по сравнению с дрозофилой у мыши значительно более активны. Это проявляется, в частности, в сильном снижении частоты наследуемых мутаций у мышей при уменьшении мощности дозы (см. рис. 17.16). Вполне вероятно, что у человека в процессе эволюции такого рода неспецифический репарационный механизм ослабления вредного действия внешних агентов, включая облучение, достиг совершенства. Благодаря этому обеспечивается характерное для человека резкое ослабление или даже отсутствие радиацион- но-индуцируемых наследственных изменений, а может быть — возможность долгожительства.
О возможном существовании развитого неспецифического репарационного механизма у человека свидетельствуют и межвидовые различия в степени радиационно-индуцированного сокращения средней продолжительности жизни (СПЖ). Сокращение СПЖ — точный биологический показатель, отражающий возникновение смертельных заболеваний, повышенную частоту общих заболеваний или их сочетание. Наиболее обширные и репрезентативные данные были получены в экспериментах на мышах. В «Отчете НКДАР-2000» приведены данные обстоятельного обзора де-
сяти работ, включающих 20 линий мышей, подвергшихся однократному рентгеновскому или у-облучению. Полученные оценки сокращения СПЖ лежат в интервале от 15 до 61 сут на 1 Гр, при большинстве значений между 25 и 45 сут. Среднее значение составляет 35 сут, т. е. 5 нед, или около 5% на 1 Гр. При этом в связи с такими признаками, как поседение волос, развитие фиброзов, нефросклероза и др., иногда говорят о «радиационном старении». Если экстраполировать те же 5% сокращения СПЖ на человека, то оно составит вполне значительную величину — 3—5 лет. Между тем в находящейся под тщательным медицинским наблюдением когорте выживших после атомной бомбардировки японцев, с одной стороны, по большинству индексов возрастной инволюции до сих пор не отмечено признаков преждевременного старения, а с другой — отмечается тенденция к увеличению продолжительности жизни по сравнению с необлученной когортой и со средними показателями населения Японии, являющимися, кстати, наибольшими в мире. Не отмечено сокращения СПЖ и среди населения Южного Урала, пережившего облучение в результате массированного радиационного загрязнения водного бассейна и территории в начале 50-х годов.
Теперь об индукции злокачественных новообразований, но сначала о спонтанном канцерогенезе.
Масса человека, а следовательно,и число клеток у него в 3000 раз больше, чем у мыши. Казалось бы, что в связи с этим, а также большей продолжительностью жизни человека должна существенно увеличиваться и вероятность злокачественной трансформации его генома. Вероятно, так это происходит и на самом деле, ибо, как показали исследования последних лет, каждый из нас, действительно, является носителем онкогенов, т.е. потенциального рака. Между тем рак развивается в среднем только у 20% людей в течение их жизни, и это несоответствие до сих пор не нашло непротиворечивого объяснения, хотя вполне логично допустить, что ослабление вероятности реализации первичной трансформации в новообразование у человека опять же связано с высокой функциональной активностью репарационных систем и систем клеточного надзора.
Понимание этих благоприятных для человека отличий требует проведения ряда направленных исследований, среди которых назовем следующие:
— Сравнение вероятности развития радиационно-индуцированного рака у мышей разных линий и у человека.
528
— Сравнительное изучение передачи радиационно-индуцированных мутаций и эпигеномных изменений в поколениях клеток и простейших в отличие от наследования соматических мутаций в потомстве животных и человека.
— Изучение роли нестабильности генома в проявлении стохастических и нестохастических последствий облучения.
— Изучение механизма поздней реализации «консервированных» повреждений в мало обновляющихся системах организма.
— Исследование роли коммунального (абскопального) эффекта радиации в проявлении различных видов лучевого поражения.
— Исследование позитивных радиационных эффектов, в частности, адаптивного ответа и гормезиса у животных и человека.
Человек должен жить долго и счастливо, и знание радиобиологии должно обезопасить его от неблагоприятного действия радиации и помочь использовать ее для улучшения своего здоровья.
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ
а (альфа)-член, а-компонента — первый член уравнения, с помощью которого аппроксимируются экспериментальные точки для построения кривой выживаемости клеток, облучаемых in vitro, по линейно-квадратичной модели выживаемости, называемой также а,0-моделью; а-компонента характеризует поражение клеток преимущественно на начальном участке кривой выживаемости, в области доз излучения от 0 до нескольких Гр.
0 (бета)-член, 0-компонента — второй член а,0-модели, характеризующий поражение клеток преимущественно при дозах излучения свыше нескольких Гр.
^о ~ (произносится Д-ноль) и D31 — (произносится Д-37) — дозы излучения, вызывающие снижение выживаемости клеток, определяемой по их клоногенной способности, в 1/ераз, до 37% от исходной, на линейном участке кривых доза—эффект, построенных в полулогарифмических координатах.
^-период — период клеточного цикла между образованием клетки и началом репликации ДНК.
62-период — период клеточного цикла между окончанием синтеза ДНК и вступлением клетки в деление.
S-период — период клеточного цикла, в течение которого происходит синтез ДНК; причем в каждый момент времени реплицируется только один из участков клеточной ДНК.
Аберрации (хроматидные и хромосомные) — изменение расположения генетического материала, его частичная утеря или приобретение нового, а также увеличение числа его копий.
Аберрации хромосом (см. Хромосомные аберрации).
Абскопальный эффект (лат. ab — приставка, обозначающая удаление; scopes — цель, мишень) — употребляемый в иностранной литературе термин, обозначающий биологические эффекты, регистрируемые вне облученных тканей.
Абсолютный риск (см. Риск абсолютный).
Аддитивность — результат комбинированного применения двух или нескольких агентов, когда конечный эффект равен сумме эффектов каждого из агентов, независимо от последовательности их применения.
Активность (нуклеотида) — скорость, с которой происходит распад нуклеотида; в Международной системе единицей активности является 530
беккерель (Бк); при активности в 1 Бк в данном количестве радионуклида происходит 1 распад в секунду; внесистемная единица активности — кюри (Ки).
Альфа(а)-частицы — частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, вылетающие из ядра при его радиоактивном распаде; обладают энергией до 8,8 МэВ, высокой ЛПЭ и пробегом в воде в несколько десятков мкм; а-частицами называют и ядра гелия, также состоящие из двух протонов и двух нейтронов, которым на ускорителе тяжелых частиц может быть придана энергия в сотни МэВ.
Анафаза — фаза митоза, во время которой хроматиды «материнской» хромосомы отделяются друг от друга, превращаются в хромосомы дочерних клеток и направляются к полюсам деления — местам формирования ядер дочерних клеток.
Аноксия — полное отсутствие кислорода в клетке или ткани.
Апоптоз, программируемая клеточная гибель — гибель клетки в результате запуска специальной программы последовательной активации ряда ферментов, последние из которых разрезают ДНК на участки длиной в ~ 185 пар оснований; одним из сигналов к запуску апоптоза является обнаружение повреждений ДНК во время прохождения клеткой сверочных точек генерационного цикла; эти повреждения ДНК, однако, не столь велики, чтобы вызвать некроз (см).
Беккерель — единица радиоактивности в СИ, соответствующая 1 распаду в секунду.
Беспороговая концепция действия радиации — концепция, предполагающая возможность линейной экстраполяции зависимости доза—эффект, получаемой для больших доз, на область значений малых доз (ниже 0,2 Зв острого облучения или 1 Зв пролонгированного облучения).
Бета (Р)-частицы — электроны, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде.
Биопсия — взятие небольшого кусочка опухоли, обычно объемом в несколько кубических миллиметров, для различного рода исследований, в том числе для изучения радиочувствительности клеток данного новообразования.
Брэгга пик (по имени Л. Брэгга, англ, физика) — повышение ЛПЭ, передаваемой среде энергии в расчете на единицу пути частицы в конце ее пробега.
Бэр — биологический эквивалент рентгена, доза излучения, по биологической эффективности равная действию рентгеновского излучения в расчете на 1 Р экспозиционной дозы.
ВДФ — способ учета побочного действия радиации на нормальные ткани при лучевой терапии опухолей, связывающий тяжесть поражения с общей длительностью курса лучевой терапии (время, В), дозой за фракцию (Д) и числом фракций (Ф).
Взаимодействие неупругое (син. торможение) — при прохождении электрона очень высокой энергии вблизи атомного ядра скорость летяще-
го электрона снижается, изменяется траектория полета и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного излучения.
Взвешивающий коэффициент (Wt), характеризует отношение стохастического риска для ткани Т к общему стохастическому риску при равномерном облучении всего тела.
Восстановление — восстановление исходной структуры или жизнеспособности клетки, ткани, органа, системы, организма после облучения.
Гамма (у)-излучение — волновое (фотонное) излучение высокой энергии, возникающее при радиоактивном распаде или аннигиляции электрона и позитрона.
Гаммафос (син. WR2721) — радиозащитный препарат из группы аминоэтилтиофосфатов, применяемый под торговой маркой Амифостин (Этиофос), для снижения тяжести лучевых реакций нормальных тканей при лучевой и химиотерапии опухолей; его протекторные свойства в отношении нормальных тканей не подлежат сомнению, однако вопрос о степени защитного действия в отношении опухолей на момент написания данного учебника остается открытым.
Генотип — совокупность всех наследственных факторов, входящих в геном.
Гипергликемия — повышенное по сравнению с нормой содержание глюкозы в крови; кратковременная гипергликемия способствует усилению повреждающего действия гипертермии за счет снижения pH в результате накопления в опухоли лактата из-за характерного для новообразований гликолитического пути образования АТФ.
Гипертермия (в онкологии) — способ лечения опухолей, состоящий в их локальном нагреве, или нагреве всего тела, до температуры 40—43°С; обычно применяется в сочетании с лучевой и/или химиотерапией, повышая их эффективность.
Гипоксирадиотерапия — лучевая терапия злокачественных новообразований, проводимая в условиях преимущественной защиты нормальных тканей за счет снижения в них рО2 при дыхании больным во время сеанса облучения смесью азота и 8—9% кислорода, позволяющая повысить подводимую к опухоли дозу облучения; при проведении гипоксирадиотерапии принимается, что одновременно увеличивается радиорезистентность и нормальных тканей, и опухоли, но последней — в меньшей степени.
Гипоксия — состояние пониженного (по сравнению с тем, что считается нормой) содержания кислорода в окружающей объект среде, без указания на степень такого понижения.
Гомеостаз — поддержание устойчивого равновесия в системе клеточного обновления (см.) или в организме.
Грей — единица поглощенной дозы в Международной системе единиц (в СИ, Системе Интернациональной), равная 1 Дж/кг массы; в литературе встречается написание грэй (Гр).
Дейтрон — ядро атома дейтерия, состоящее из протона и двух нейтронов.
532
Делеции — отсутствие части хроматиды или хромосомы, вызванное нерепарированным двойным разрывом молекулы ДНК.
Детерминированный эффект (см. Эффект детерминированный).
Доза минимально летальная — минимальная доза излучения, вызывающая гибель всех облученных объектов.
Доза поглощенная — количество излучения, поглощенное облученным объектом, в расчете на единицу массы. Единицей поглощенной дозы в Международной системе является грей (Гр), который соответствует поглощению 1 Дж/кг.
Доза толерантная — доза фракционированного облучения определенного органа или его части, или определенной ткани, получаемая ими в процессе лучевой терапии злокачественных новообразований, при которой тяжелые, но купируемые (излечиваемые) лучевые осложнения возникают не более чем у 5 или 10% больных; последние величины условны, так что в разных лечебных учреждениях в качестве «толерантных» могут рассматриваться несколько разные дозы.
Доза удваивающая — доза излучения, при которой в потомстве облучаемого объекта вдвое возрастает частота мутирования определенного локуса по сравнению с фоновым значением.
Доза эквивалентная — доза излучения, поглощенная в органе или ткани и умноженная на взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, характеризующий его эффективность в индуцировании биологического эффекта; единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).
Доза экспозиционная — доза излучения, измеренная в воздухе.
Доза эффективная — сумма произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты для этих тканей, учитывающие разную чувствительность тканей в отношении канцерогенного эффекта радиации,- единицей эффективной дозы является зиверт (Зв).
Доза—эффект кривые — кривые, описывающие зависимость поражения объекта от поглощенной дозы.
Защита фармакологическая — снижение тяжести лучевого поражения объекта с помощью химических соединений, вводимых до облучения и действующих на уровне физико-химических процессов.
Зиверт(Зв) — единица эквивалентной дозы.
Интерфаза — промежуток времени между двумя последовательными делениями клетки.
Ионизирующее излучение — излучение, энергия которого достаточна для разрыва межатомных связей путем удаления электрона с орбиты (ионизации).
Канцерогенное действие — способность агента индуцировать образование злокачественных новообразований (от лат. Cancer — рак, краб).
Катаракта радиационная — помутнение роговицы, наступившее вследствие воздействия на нее ионизирующего излучения.
Кислородный эффект — увеличение степени радиационного поражения объекта по мере возрастания его концентрации в окружающей клетки среде от нулевых значений рО2 (аноксии) до 20 мм.
Кишечный синдром — гибель от поражения клеток эпителия тонкого кишечника, у мышей наступающая на 4—6-й день после облучения.
Клетка гигантская — клетка, имеющая два и большее количество ядер и занимающая площадь (в культуре), в 10 и более раз превышающую площадь интактной клетки; образование гигантских клеток — типичный признак лучевого патоморфоза.
Клеточный (генерационный цикл) — время, а также последовательность событий от деления клетки до деления одной из двух ее дочерних клеток (для простоты об этом говорится как о промежутке времени между двумя последовательными делениями клетки).
Клонообразование — способность клетки образовывать колонию; при этом в качестве произвольно выбранного критерия образования колонии служит наличие в ней 50 клеток (в случае животных клеток) или возможность ее увидеть невооруженным глазом; утеря способности к колониеоб- разованию рассматривается как показатель гибели клетки.
Коллективная эффективная доза (см. эффективная доза) — доза, полученная группой людей от какого-либо источника радиации.
Комптон-эффект — рассеяние электромагнитного излучения на свободном или слабо связанном электроне, при котором фотон в результате упругого соударения с электроном передает ему часть своего импульса и своей энергии; в итоге из атома вылетает электрон (т. е. происходит его ионизация), а фотон с уменьшенной энергией меняет свое направление (рассеивается).
Костно-мозговой синдром — гибель от поражения стволовых клеток костного мозга, у мышей наступающая в период с 6-го (в основном с 12-го) по 30-й день после облучения.
Костный мозг — ткань, в которой происходит образование всех форменных элементов крови; расположена в эпифизах трубчатых костей и в плоских костях таза, черепа и ребер.
Коэффициент кислородного усиления (ККУ) — коэффициент, показывающий, во сколько раз доза облучения в аноксических или гипоксических условиях должна быть больше, чем доза облучения в стандартных условиях, для получения одного и того же эффекта.
Критические органы (системы) — жизненно важные органы или системы, первыми выходящими из строя в исследуемом диапазоне доз излучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения; примеры: система кроветворения, тонкий кишечник, ЦНС.
Критический орган — наиболее радиочувствительный из нескольких органов, оказавшихся в зоне воздействия ионизирующей радиации.
Коэффициент теплового усиления (КТУ) — коэффициент, указывающий на степень усиления гибели клеток при повышении температуры на 1°С.
534
Кюри — внесистемная единица радиоактивности, равная 3,7 • 1010 Бк/с (распадов в секунду).
ЛД50 — Летальная доза 50 — доза излучения, вызывающая гибель 50% особей.
ЛД5О/ЗО — доза излучения, вызывающая гибель 50% объектов в течение 30 дней после воздействия (соответствующих завершению гибели мышей от поражения кишечника и костного мозга).
ЛД5П/5 — доза излучения, вызывающая гибель 50% объектов в течение 5 дней (соответствующих кишечной гибели мышей).
Лейкозы — группа заболеваний крови, характеризующихся неуправляемым размножением лимфоцитов; наиболее ранние проявления канцерогенного действия радиации.
Линейно-квадратичная модель — модель лучевого поражения клетки, имеющая два члена, один из которых соответствует линейной зависимости эффекта от дозы излучения, а второй —■ линейной зависимости эффекта от квадрата дозы излучения.
Линейные потери (передача) энергии (ЛПЭ) — потери энергии на мкм пути, выраженные в эВ.
Лучевая болезнь — клинический синдром, развивающийся вследствие общего облучения.
Лучевая болезнь (острая) — наступившая вследствие однократного облучения.
Лучевая болезнь (хроническая) — наступившая вследствие длительного непрерывного или фракционированного воздействия. 1
МАГАТЭ — Международное агентство по атомной энергии, отвечает за ее безопасное использование; штаб-квартира расположена в Вене.
Мейоз — процесс «редукционного», без удвоения хромосом, деления зародышевых клеток, в результате которого дочерняя клетка приобретает половину хромосомного набора родительской клетки.
Мексамин (5-метокситриптамин) — один из радиопротекторов.
Метафаза — центральная фаза митоза, при которой хромосомы собираются в центре клетки, образуя метафазную пластинку; в метафазе каждая хромосома состоит из двух хроматид.
Митоз — деление клетки.
Митотическая активность — характеристика пролиферативной активности ткани или органа, определяемая процентом клеток, находящихся на стадии митоза в единицу времени.
Мишени теория (принцип) — высказанное в 30-е годы XX в. представление о неравнозначности поражения различных частей клетки для ее судьбы; догадка о существовании в клетке радиочувствительных структур, поражение которых и приводит к ее гибели; в настоящее время такой структурой является ДНК.
Мощность (поглощенной) дозы (син. интенсивность облучения) — количество энергии излучения, поглощаемой массой вещества в единицу времени (1 с, 1 мин, 1 ч, 1 сут).
Мутации — изменения ДНК; соматические мутации могут передаваться в клеточных поколениях в тканях самого облученного объекта, генетические — наследуются в потомстве облученных родителей.
Нейтрон — нейтральная, не обладающая зарядом ядерная частица с массой, почти равной массе протона; источником нейтронов служат ядер- ные реакторы, где они возникают при делении ядер урана, или ускорители, в которых нейтроны возникают при взаимодействии ускоренных частиц (например, дейтронов) с ядрами атомов мишени, сделанной, например, из бериллия.
Некроз — форма клеточной гибели, реализуемая в случае накопления в Д Н К несовместимого с жизнью количества повреждений, а также вследствие повреждения мембран.
Нестабильность генома — сохранение повышенного мутационного фона в ряду поколений облученной клетки.
Облучение — воздействие ионизирующей радиации на биологические объекты.
Облучение внешнее — от наружных источников излучения.
Облучение внутреннее — от инкорпорированных в организм радионуклидов.
Облучение крупнопольное (син. широкопольное) — облучение злокачественных новообразований, например лимфогранулематоза, большими полями в расчете на одновременное поражение основного очага и дисси- минатов опухолевых клеток в регионарные лимфатические узлы.
Облучение локальное (син. местное) — облучение отдельных участков (сегментов) тела.
Облучение многократное (син. фракционированное) — облучение несколькими отдельными фракциями через различные промежутки времени.
Облучение неравномерное — следствие ослабления излучения по глубине тела или в результате экранирования (см.) его отдельных сегментов.
Облучение общее (син. тотальное) — облучение всего тела.
Облучение острое — облучение, длительность которого не превышает нескольких часов, чаще всего составляя минуты.
Облучение пролонгированное (син. — протрагированное) — облучение, продолжающееся в течение многих дней, месяцев и лет.
Облучение хроническое — длительное при низкой мощности дозы.
Облучения непосредственные эффекты — возникающие вскоре (в течение часов, дней, недель) после облучения (см. Детерминированные эффекты).
Облучения отдаленные последствия — развивающиеся через несколько месяцев или лет после облучения — нестохастические эффекты — эпиляция, катаракта, стерильность, сокращение продолжительности жизни; стохастические эффекты (см.) — злокачественные новообразования, генетические (наследуемые в потомстве) болезни.
ОБЭ — относительная биологическая эффективность (ионизирующих излучений).'
Оксибарорадиотерапия — способ облучения злокачественных опухолей при дыхании чистым кислородом в расчете на усиление радиочувствительности (см.) гипоксических клеток (см. Кислородный эффект).
Окситриптамин — (син. серотонин) — радиопротектор (см.).
Онкоген — генетическая программа, способствующая возникновению опухолей, либо присутствует в геноме в репрессированном состоянии под контролем регуляторных генов, либо образуется из разобщенных фрагментов ДНК, каждый из которых в отдельности не может вызвать опухолевую трансформацию.
Орофаренгиальный синдром — симптомокомплекс, развивающийся вследствие радиационного поражения полости рта, глотки и пищевода при дозах >10 Гр.
Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) — отношение равноэффективных по биологическому действию доз рассматриваемого излучения и гамма или рентгеновского излучений, которые считаются стандартными.
Отработанное ядерное топливо (ОЯТ) — использованное топливо ядерных реакторов, ценное сырье для получения нового ядерного топлива.
Пи-минус мезоны (л ) (син. отрицательные л-мезоны) — отрицательно заряженные элементарные частицы массой, в 273 раза превышающей массу электрона; л-мезоны создают в месте их захвата большое локальное энерговыделение («микровзрыв»).
Поражения потенциально летальные — способные к восстановлению (см.) при изменении условий в первые часы после облучения.
Позитрон — элементарная частица, в ядерной физике относимая к лептонам, которая имеет положительный заряд и массу, равную массе электрона, т. е. 1/1837 от массы протона (или нейтрона).
Полирадиомодификация — способ управления радиочувствительностью (см.) с помощью одновременного или последовательного применения радиомодифицирующих (см.) агентов.
Полная коллективная эффективная доза — коллективная эффективная доза (см.), которую получат поколения людей от какого-либо источника за все время его существования.
Поражения сублетальные — поражения клеток, которые могут быть репарированы, выявляемые по увеличению выживаемости клеток при разделении дозы однократного облучения на две фракции с интервалом между ними до нескольких часов.
Пороговая доза — доза, ниже которой не отмечено проявления данного эффекта облучения.
Принцип попаданий и мишени — формальное объяснение первичных механизмов биологического действия ионизирующих излучений, в том числе явления, называемого радиобиологическим парадоксом (см.): принцип попаданий характеризует особенности действующего агента — дискретность поглощения энергии, а принцип мишени учитывает особенность облучаемого объекта — клетки — высокую гетерогенность и значи-
мость ее структур в морфологическом и функциональном отношениях, а следовательно, различие в ответе на одно и то же попадание.
Пробит-анализ — количественная оценка зависимости между логарифмами доз и пробитами (англ, probability unit — вероятностная единица), соответствующими наблюдающимся эффектам; в координатах пробиты — логарифм дозы (а иногда и сама доза) происходит спрямление сигмоидных кривых.
Протон — положительно заряженная ядерная частица с массой, практически равной массе нейтрона.
Рад — (rad — radiation absorbed dose) — старая (внесистемная) единица поглощенной дозы, соответствующая поглощению энергии 10~2 Дж/кг; в Международной системе единиц используется грей (Гр); 1 Гр = 100 рад.
Радиационная безопасность — система мероприятий, направленных на минимизацию последствий облучения, регламентацию радиационного воздействия в виде международных рекомендаций и национальных санитарных правил и норм радиационной безопасности для разных категорий профессионалов — работников атомной промышленности и населения.
Радиационная защита (син. противолучевая) (1) — система регламентации воздействия ионизирующих излучений, направленная на защиту населения и профессиональных работников; (2) — измерение степени ослабления воздействия облучения; (3) — химические и биологические способы ослабления поражающего действия ионизирующих излучений (см. Радиомодифицирующие агенты).
Радиационная онкология — методы лечения злокачественных новообразований при помощи ионизирующих излучений (методы лучевой терапии).
Радиационная стерилизация — применение ионизирующих излучений (1) для половой стерилизации растительных и животных объектов; (2) для стерилизации различных материалов медицинского назначения, пищи и обеззараживания отходов.
Радиационная терапия (син. радиотерапия, лучевая терапия) — лечение различных (в основном онкологических) заболеваний разными видами ионизирующих излучений.
Радиационное нормирование — регламентация уровней облучения отдельных категорий людей (профессионалов и населения), предусмотренная международными рекомендациями и национальными законодательными органами и документами.
Радиационное старение — отдаленное последствие облучения, проявляющееся в склерозировании сосудов, поседении, ослаблении эластических свойств кожи и сокращении продолжительности жизни.
Радиационные синдромы — симптомокомплексы (костномозговой, кишечный, церебральный), развивающиеся вследствие поражения соответствующих критических органов (см.) после облучения в определенном диапазоне доз—1 — 10 Гр, > 10 Гр, > 100 Гр, соответственно.
Радиационный онколог (син. лучевой терапевт) — специалист, занимающийся лечением злокачественных новообразований методами лучевой терапии.
Радиационный фон — естественный — за счет радионуклидов земного и космического происхождения; технологически измененный и техногенный — за счет антропогенной деятельности человека.
Радиация (ионизирующая) — электромагнитное или корпускулярное излучение, способное при взаимодействии с веществом прямо или опосредованно вызывать в нем образование ионов; примеры: рентгеновское излучение, фотоны, заряженные атомные частицы, нейтроны.
Радикалы свободные — короткоживущие продукты радиолиза воды и органических молекул, содержащие неспаренные электроны, а потому высоко реактивные и легко реагирующие с растворенным субстратом, что приводит к его повреждению.
Радиоактивность — способность всех нестабильных элементов к распаду с выделением энергии в форме фотонов (у-излучение) или частиц (электроны, а-частицы и др.); единицей радиоактивности служит беккерель (Бк) — одно ядерное превращение в 1 с.
Радиоактивные изотопы (син. радионуклиды) — одна из форм существования элементов, различающихся по атомному весу и содержащих нестабильное ядро, испускающее ионизирующее излучение.
Радиобиологический парадокс — несоответствие между ничтожным количеством поглощенной энергии и крайней степенью реакции биологического объекта, вплоть до летального эффекта.
Радиомоднфикация — искусственное изменение радиочувствительности (см.) с помощью радиомодифицирующих агентов (см.)
Радиомодифицирующие агенты — химические и фармакологические средства ослабления (см. радиопротекторы) или усиления (см. радиосенсибилизаторы) биологического действия ионизирующих излучений.
Радиопоражаемость (см. Радиочувствительность).
Радиорезистентность (син. радиоустойчивость) — низкая чувствительность к поражающему действию ионизирующих излучений.
Радиотоксины — различные не идентифицированные гуморальные токсические агенты, образующиеся в тканях под действием облучения, в частности, клеточный детрит и другие продукты распада тканей, возможно, определяющие дистанционное действие радиации, так называемый абскопальный эффект (см.)
Радиочувствительность — относительная восприимчивость клеток, тканей, органов или организмов к воздействию ионизирующего излучения, мерой которой служит доза излучения, вызывающая определенный уровень гибели облучаемых объектов: для инактивации клеток — показатель D,, или Da на кривой выживаемости, для организмов — доза, вызывающая гибель 50% особей за определенный срок наблюдения.
Радиочувствительность видовая — радиочувствительность отдельных биологических видов.
Радиочувствительность индивидуальная — варьирование степени радиочувствительности внутри одного вида.
Радон (n2Rn) — тяжелый радиоактивный инертный газ (период полураспада 3,8 дня); возникает вследствие последовательного деления урана; выделяется из почвы, особенно из скальных пород, а также из строительных материалов, изготовленных из таких пород; опасность представляют радиоактивные продукты распада радона, не являющиеся газами и потому захватываемые пылевыми частицами, оседающими в верхних дыхательных путях.
Рант-болезнь (син. вторичнная болезнь, болезнь истощения) — летальный синдром, развивающийся вследствие иммунологической несовместимости при пересадке гомо- или гетерологичных тканей.
Рассеяние — изменение траектории легких элементарных частиц, например электронов, при их взаимодействии с облучаемым веществом.
Рассеяние упругое — при нем практически меняется лишь направление движения частиц, а не их энергия.
Регенерация — восстановление численности популяции клеток после утраты некоторых из них.
Регламентация облучения (см. Радиационное нормирование).
Рентгеновское «похмелье» — общая болезненная реакция пациента, развивающаяся при локальной лучевой терапии, являющаяся примером дистанционного действия (см.) облучения.
Реоксигинация опухолей — увеличение доступа кислорода к ранее гипоксическим клеткам вследствие уменьшения опухолевой популяции в процессе лучевой терапии.
Репарация ДНК — биохимические процессы, ведущие к восстановлению исходного состояния молекулы ДНК после разрыва в ней межатомных связей, вызванных воздействием ионизирующего излучения.
Рецидив — возобновление роста злокачественной опухоли в течение 5-летнего периода после проведенного лечения.
Риск (канцерогенный, генетический) — вероятность появления тех или иных стохастических и нестохастических последствий.
Риск абсолютный — риск наступления неблагоприятного эффекта облучения, который не зависит от действия других факторов, приводящих к тому же эффекту.
Риск аттрибутивный — увеличение частоты заболеваний, обусловленное воздействием радиационного фактора.
рО2 — парциальное напряжение кислорода в окружающей клетку среде, выраженное в мм рт. ст.
Сенсибилизация — наблюдаемое при комбинированном применении агентов усиление действия одного из них другим, который сам по себе наблюдаемый эффект не вызывает.
Серототонин (см. Окситриптамин).
Синдром — очерченный симптомокомплекс (группа симптомов), характерный для того или иного определенного заболевания.
540
Синергизм — результат комбинированного применения двух агентов, превышающий аддитивное действие (см. Аддитивность).
Синхронизация — концентрация клеток в определенной стадии цикла.
Система клеточного обновления — самоподдерживающая активно пролиферирующая клеточная система, состоящая из нескольких пулов (компартментов), в которой на каждую отмирающую клетку (в пролиферирующем пуле) появляется новая из стволового пула, примеры: костный мозг, слизистая тонкого кишечника.
Смерть под лучом — гибель организма во время или в первые минуты после облучения в дозах более 1000 Гр, обусловленная массированным поражением мембран и структурных белков клеток ЦНС («молекулярная гибель»).
Стволовые (клоногенные) клетки — недифференцированные предшественники специфических клеточных линий, составляющие самоподдер- живающий фонд, который обеспечивает постоянную скорость клеточного обновления.
Стохастические эффекты — вероятность развития злокачественных новообразований в отдаленные (годы, десятки лет) сроки после облучения животного или человека и/или наследственных заболеваний в потомстве.
Тепловые нейтроны (см. Нейтроны тепловые).
Терапевтический индекс радиопротекторов — отношение летальной дозы (обычно ЛД.Д препарата к его дозе, обеспечивающей эффективную защиту.
Терапевтический интервал — абстрактное понятие, указывающее на соотношение дозы излучения, требуемой для излечения опухоли, и дозы, при которой происходит превышение толерантности «критической» ткани, попадающей в поле облучения.
Тератогенные эффекты — пороки развития и уродства, развившиеся вследствие облучения эмбриона или плода in utero (в матке).
Терморадиотерапия — комбинированное применение ионизирующих излучений с гипертермией (см.).
Термотолерантность (индуцированная) — повышение устойчивости клеток и тканей к прогреванию, наступающее в первые часы после сеанса предыдущего прогревания.
Толерантность (применительно к лучевой терапии) — способность ткани переносить локальное облучение без утери своей функции; определяется как доза излучения, вызывающая какой-либо неблагоприятный эффект у небольшого числа (5—10%) больных.
Тормозное излучение — волновое излучение с энергией от нескольких МэВ до десятков МэВ, возникающее при торможении ускоренных электронов; генерируется на линейных ускорителях электронов и широко используется в лучевой терапии опухолей.
Тяжелые ядерные частицы — протоны, нейтроны, пи-минус мезоны (л ) (см.), ядра тяжелого водорода (дейтерий), а-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы (ядра других элементов).
Фактор изменения дозы (ФИД) — количественный критерий эффективности того или иного радиомодифицирующего агента (см.).
Фенотип — совокупность признаков, проявляющаяся только у данного организма.
Фотоны — порции электромагнитного излучения.
Фотоэлектрический эффект — механизм размена энергии излучения, при котором в результате поглощения энергии падающего фотона появляются новые электроны с энергией падающего кванта, за вычетом работы выхода данного электрона из атома.
Химера (радиационная) — организм, в котором живут и размножаются клетки животного другого вида.
Хроматида — часть хромосомы; две хроматиды, объединенные центромерой, образуют одну хромосому.
Хромосомы — внутриклеточные структуры, хорошо видимые в световом микроскопе, в которых в суперспирализованной форме находится ДНК во время деления клетки.
Хромосомные аберрации (перестройки) — возникающие под влиянием облучения структурные повреждения ДНК, при которых разорванные концы хромосом соединяются неправильно, а отдельные их фрагменты могут при делении клетки утрачиваться.
Цистамин, цистафос, цистеин, цистеинамин — серосодержащие радиопротекторы (см.) из класса меркаптоалкиламинов.
Эквивалентная доза — поглощенная доза (см.), умноженная на взвешивающий коэффициент, отражающий поражающую способность данного вида излучения; используется в области радиационной безопасности.
Экзоколониальный и эндоколониальный тесты — методы количественной оценки радиочувствительности (см.) стволовых гемопоэтических клеток.
Экранирование (от облучения) — физический способ ослабления действия излучений с помощью абсорбирующих энергию материалов, помещаемых между источником излучения и объектом воздействия.
Электрон — элементарная частица в ядерной физике относимая к лептонам, которая имеет отрицательный заряд и массу, равную 1/1837 от массы протона (или нейтрона).
Электронно-позитронная пара — взаимодействие ионизирующего излучения с веществом, при котором у-квант большой энергии в поле атомного ядра превращается в пару заряженных частиц — электрон (см.) и позитрон (см.).
Эндомитоз — возникновение патологических, гигантских клеток, содержащих несколько наборов хромосом вследствие их редупликации в пределах одной неразделившейся клетки.
542
Эффект детерминированный — эффект, у которого с увеличением дозы облучения возрастает как частота появления, так и тяжесть; обычно возникает после превышения некоего дозового порога; часто рассматривается как ранний эффект облучения, однако как частота, так и тяжесть детерминированного эффекта могут возрастать спустя многие годы после воздействия.
Эффект избыточного поражения, перепоражения (overkill) — после оптимального значения ЛПЭ (см.) наступает насыщение, и каждая последующая частица теряет энергию уже в убитой клетке, т.е. действует вхолостую.
Эффект стохастический — эффект, у которого с увеличением дозы облучения возрастает только частота появления, но не тяжесть; к стохастическим эффектам облучения относят индукцию злокачественных новообразований и генетические изменения в потомстве облученной особи.
Эффективная доза — эквивалентная доза излучения, умноженная на взвешивающий коэффициент, учитывающий роль поражения облучаемой ткани в развитии стохастических эффектов облучения; используется в области радиационной безопасности.
Ядра отдачи — сильноионизирующие протоны, образующиеся в результате упругого рассеивания в веществе быстрых нейтронов (см.).
Оглавление
Предисловие к четвертому изданию 3
Введение 5
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ВОПРОСЫ ОБЩЕЙ РАДИОБИОЛОГИИ . .7
ГЛАВА 1. Радиобиология как предмет 9
Резюме 14
ГЛАВА 2. Немного истории 15
Открытие рентгеновских лучейирадиоактивности 16
Три этапа развития радиобиологии 22
Резюме 28
ГЛАВА 3. Радиочувствительность 29
Резюме 33
ГЛАВА 4. Физические основы действия ионизирующих излучений на биологические объекты 34
Типы ионизирующих излучений 34
Особенности взаимодействия ионизирующих излучений с веществом 36
Электромагнитные излучения 36
Корпускулярные излучения 40
Единицы дозы излучения и радиоактивности 45
Резюме 49
ГЛАВА 5. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений . . . .50
Резюме 56
ГЛАВА 6. Молекулярные аспекты биологического действия ионизирующих излучений■ 57
Радиационные повреждения ДНК 60
Репарация радиационных повреждений ДНК 63
Эксцизионная репарация поврежденных и неспаренных оснований и нуклеотидов 63
Репарация одиночных и двойных разрывов ДНК 65
Радиационные повреждения ДНК и задержка прохождения клеточного цикла 68
Механизм индукции и реализации программируемой смерти клетки (апоптоза) 70
Резюме 73
ГЛАВА 7. Проявление лучевого поражения на уровне клетки 75
Радиационнаязадержкаклеточногоделения 75
Хромосомныеаберрацииимикроядра 79
Утеря клеткой клоногенного потенциала. Кривые «выживаемости» 86
Определение выживаемости клеток in vitro 87
Определение выживаемости клеток in vivo 89
Формальные модели лучевого поражения, используемые для построения кривых выживаемости по экспериментальным точкам 90
Кривые выживаемости в области малых доз излучения . .95
Непосредственно наблюдаемая гибель клеток после облучения. Апоптоз и некроз 97
«Коммунальный» эффект 103
Лучевые поражения клеток, не отражаемые кривыми выживаемости 108
Длительно сохраняющаяся повышенная гибель потомков облученной клетки 108
Генетическая нестабильность 109
Резюме 111
ГЛАВА 8. Факторы, определяющие выживаемость клеток после облучения . .113
Вариабельность радиочувствительности клеток 113
Радиочувствительность клеток на разных стадиях цикла . . .115
Восстановление клеток 119
Репарация потенциальнолетальных поражений 120
Репарация сублетальных поражений 123
Восстановление и мощность дозы 129
Восстановление клеток и репарация ДНК 133
Резюме 134
ГЛАВА 9. Модификация радиочувствительности. Кислородный эффект .135
Вопросы терминологии и количественные критерии радиомодифицирующего эффекта 135
Механизм и основные характеристики радиомодифицирующего действия кислорода 138
Резюме 145
ГЛАВА 10. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) ионизирующих излучений 147
Методы оценки ОБЭ и ее связь с линейной передачей энергии . .147
Зависимость ОБЭ от условий облучения и других факторов.151
Границы применения концепции ОБЭ 154
Резюме 156
ГЛАВА 11. Теоретические представления о механизме биологического действия ионизирующих излучений 158
Принцип попадания и теория мишени 159
Стохастическая теория 165
Резюме 169
Заключение по первой части 170
ЧАСТЬ ВТО РАЯ. РАДИОБИОЛОГИЯ ОРГАНИЗМА 171
ГЛАВА 12. Радиочувствительность тканей, органов, организма. Детерминированные эффекты 173
Радиационные синдромы 175
Костный мозг — типичный пример системы клеточного обновления 179
Изменения в системе обновления желудочно-кишечного тракта .188
Характер радиационных изменений центральной нервной системы 190
Радиочувствительность и лучевые реакции отдельных органов и тканей 190
Относительность понятия тканевой радиочувствительности .198
Радиочувствительность организма 199
Детерминированные эффекты облучения 206
Ранние детерминированные эффекты 206
Поздние детерминированные эффекты 207
Резюме 209
ГЛАВА 13. Процессы восстановления в облученном организме211
Кинетика восстановления организма после общего облучения 211
Регенерация костного мозга и пострадиационное восстановление организма 216
Динамика радиорезистентности организма в раннем пострадиационном периоде 220
Степень восстановления некоторых функций организма . . .223
Особенности повреждения и репарации малообновляющихся тканей 225
Резюме 233
ГЛАВА 14. Лучевая болезнь человека 234
Острая лучевая болезнь при относительно равномерном облучении 235
Фазапервичной общей реакции 237
Фаза кажущегося клинического благополучия 238
Фазавыраженных клинических проявлений 239
Фаза раннего восстановления 239
Острые лучевые поражения при неравномерном облучении .245
Хроническая лучевая болезнь 254
Классификация, диагноз и прогноз лучевой болезни255
Терапия острой лучевой болезни 261
Замещение костного мозга 261
Замещение периферической крови 270
Функциональная терапия 278
Резюме 280
ГЛАВА 15. Биологическое действие инкорпорированных радиоактивных веществ 282
Пути поступления радионуклидов в организм 283
Распределение инкорпорированных радионуклидов в организме286
Радиобиологическая оценка поражений инкорпорированными радионуклидами 288
Особенности поражений продуктами ядерного деления....289
Профилактика и лечение поражений инкорпорированными радионуклидами 291
Резюме 292
ГЛАВА 16. Опосредованные эффекты облучения. Нарушение обмена веществ.
Изменения в некритических системах организма 294
Опосредованные и дистанционные эффекты облучения...294
Опосредованное действие ионизирующих излучений на кроветворение 296
Нарушения в некритических системах облученного организма. .298
Угнетение иммунитета 300
Нарушение обмена веществ 308
Резюме 315
ГЛАВА 17. Отдаленные последствия облучения 317
Основные категории отдаленных последствий 317
Соматические отдаленные последствия облучения 319
Сокращение продолжительности жизни 319
Радиационная катаракта 326
Возникновение злокачественных новообразований328
Механизм соматических отдаленных последствий облучения336
Молекулярные механизмы радиационного канцерогенеза343
Генетические отдаленные последствия облучения 346
Оценки радиационных генетических рисков 347
Резюме 352
ГЛАВА 18. Последствия облучения эмбриона и плода 354
Возрастно-специфические реакции на облучение в эмбриогенезе355
Эффект облучения мышей на разных стадиях внутриутробного развития 357
Последствия облучения эмбриона человека 362
Механизмы радиоэмбриологического эффекта и оценка его последствий 365
Резюме 369
ГЛАВА 19. Фармакохимическая противолучевая защита организма. . . .370
Основные классы химических радиопротекторов 371
Индолилалкиламины 371
Меркаптоалкиламины 372
Оценка радиозащитного эффекта 375
Механизмы противолучевой защиты 378
Перехват и инактивация свободных радикалов 379
Изменение окислительно-восстановительного потенциала379
Сульфгидрильная гипотеза 381
Гипотеза биохимического шока 382
Защита как проявление неспецифической реакции и увеличения объема репарации 382
Защита и кислородный эффект 384
Общий механизм модификации репродуктивной гибели клеток 386
Защита организма как следствие ослабления поражения критических систем 390
Ограничения фармакохимической защиты, связанные с условиями облучения 399
Защитаототдаленных последствий облучения 400
Возможности использования средств противолучевой защиты человека 407
Резюме 412
ГЛАВА 20. Комбинированное действие ионизирующих излучений с другими агентами 414
Терминология комбинированных эффектов 415
Механизмы и методы изучения комбинированных воздействий .416
Оценка комбинированныхвоздействий 419
Резюме 422
ГЛАВА 21. Радиобиологические основы лечебного применения ионизирующих излучений 424
Факторы, влияющиенарадиорезистентность опухолей . . . .427
Вариабельность исходной радиочувствительности опухолевых клеток 427
Роль опухолевой гипоксии 429
Методы управления тканевой радиочувствительностью при лучевой терапии 434
Сенсибилизация гипоксических опухолевых клеток . . . .434
Гипертермия 437
Локальная гипертермия 438
Общая гипертермия 444
Противолучевая защита нормальных тканей 445
Гипоксическая защита 445
Химические радиопротекторы 448
Радиомодифицирующее действие химиотерапевтических препаратов 449
Радиобиологические основы использования в лучевой терапии тяжелых ядерных частиц 450
Реакция опухоли и нормальных тканей на облучение454
Ранние лучевые реакции и поздние поражения нормальных тканей 460
Толерантность нормальных тканей при различном фракционировании дозы 463
Резюме 466
Заключение по второй части 468
ЧАСТЬТРЕТЬЯ. ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 471
ГЛАВА 22. Источники облучения человека 473
Естественные источники радиации 474
Земная радиация. Радон 474
Искусственные источники облучения человека 476
Источники радиации, используемые в медицине476
Испытания ядерного оружия 478
Атомная энергетика 479
Другие источники облучения 482
Резюме 483
ГЛАВА 23. Медицинские последствия радиационных аварий 484
Возможные медицинские последствия радиационных аварий 485
Медицинские последствия основных неконтролируемых радиационных воздействий 487
Последствия аварии на ЧАЭС 490
Физические последствия аварии 490
Медицинские последствия аварии 493
Ранние радиологические последствия у персонала реактора и сотрудников аварийных служб 495
Отдаленные радиологические последствия 495
Резюме 505
ГЛАВА 24. Научные основы регламентации облучения человека507
Вопросы терминологии 508
Международная деятельность в области радиационной защиты . 5Ю
Регламентация радиационноговоздействия в России511
Категории облучаемых лиц, дозовые пределы, эффективная и эквивалентная дозы 513
Дискуссионные вопросы теории и практики регламентации облучения 517
Оценка вероятных последствий облучения и степень риска, обусловленная нерадиационными факторами 519
Подготовка новых рекомендацийМКРЗ 522
Резюме 524
Заключение по третьей части 525
Научно-практические перспективы радиобиологии человека (Заключительные замечания) 526
Терминологический словарь 530
Учебное издание
Ярмоненко Самуил Петрович,Вайнсон Адольф Адольфович
РАДИОБИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ
Редактор Л. И. Захватова
Художественный редактор А.Ю. ВойткевичТехнический редактор Л.А. ОвчинниковаКомпьютерная верстка С.Н. ЛуговаяКорректор Т.А. Вавилова
Лицензия ИД № 06236 от 09.11.01.
Изд. № РЕНТ-54. Сдано в набор 01.12.03. Подп. в печать 17.02.04.
Формат 60 х 88‘/,6. Бум. офс. № 1. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная.Объем 33,81 усл. печ. л. +• 0,31 усл. печ. л. форз. 34,12 усл. кр.-отт.
Тираж 5000 экз. Заказ № 3724.
ФГУП «Издательство «Высшая школа»,127994, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14.
Тел.: (095) 200-04-56
E-mail: info@v-shkola.ru http://www.v-shkola.ru
Отдел реализации: (095) 200-07-69, 200-59-39, факс: (095) 200-03-01.E-mail: sales@v-shkola.ru
Отдел «Книга-почтой»: (095) 200-33-36. E-mail: bookpost@v-shkola.ru
Набрано на персональных компьютерах издательства.
Отпечатано на ФГУП ордена «Знак Почета»Смоленская областная типография им. В.И. Смирнова.214000, г. Смоленск, пр-т им. Ю. Гагарина, 2.
Ярмоненко Самуил Петрович
Вайнсон Адольф Адольфович
Профессор, главный научный сотрудник Российского онкологического научного центра РАМН. Автор трех изданий данного учебника, написанного на базе созданного им в 1967—1968 гг. курса радиобиологии на медико-биологическом факультете 2-го МОЛГМИ им. Н.И. Пирогова и удостоенного Государственной премии СССР за 1988 г. Признанный в мире авторитет в области биологического воздействия радиации и противолучевой защиты, а также радиобиологических основ лечения рака, в 1991 г. избран Президентом Международного общества клинической гипертермии. Им подготовлено 10 докторов и 19 кандидатов наук, опубликовано 300 трудов, в том числе 9 монографий и научно-популярных книг.
Заведующий отделом радиобиологии и лабораторией лучевых методов лечения опухолей Российского онкологического научного центра РАМН. Профессор Московского инженерно-физического института. Лауреат премии Правительства России. Окончил кафедру биологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и аспирантуру Института биофизики АН СССР. Основные направления исследований — изучение биологического действия тяжелых ядерных частиц, разработка методов селективной защиты нормальных тканей и сенсибилизация опухолей при лучевой терапии злокачественных новообразований. В течение нескольких лет работал в лабораториях Германии, Швеции, Японии и США. Соавтор трех монографий по радиационной онкологии.
ния; 1 эВ = 1,6х 1012 эрг, кэВ = 103 эВ, МэВ = 106 эВ.
34
С.П. Ярмоненко А.А. Вайнсон
РАДИОБИОЛОГИЯЧЕЛОВЕКА
И ЖИВОТНЫХ
Допущено
Министерством образованияРоссийской Федерациив качестве учебного пособиядля студентов медицинских и биологическихспециальностей вузов
МОСКВА«ВЫСШАЯ ШКОЛА»2004
УДК 6П.Б49
ББК 28.071
Я 75
Рецензенты:
Академик РАМН Л.А. Ильин, чл.-корр. РАМН А.К. Гуськова(Государственный научный центр РФ — Институт биофизики)
Ярмоненко, С.П.
Я 75 Радиобиология человека и животных: Учеб, пособие/ С.П. Ярмоненко, А.А. Вайнсом; Под ред. С.П. Ярмоненко. — М.: Высш, шк., 2004. — 549 с.: ил.
ISBN 5-06-004265-0
В книге изложены вопросы молекулярно-клеточной радиобиологии и радиобиологии организма. Рассмотрены физические основы биологического действия ионизирующего излучения, теория и механизмы радиобиологического эффекта, основные радиационные синдромы, непосредственные (детерминированные) радиационные эффекты и отдаленные (стохастические) последствия облучения, противолучевая защита и лечение лучевой болезни, а также радиобиологические основы лечебного применения ионизирующего излучения. Книга переработана и дополнена новыми данными (3-е издание — 1988 г.). Особое внимание уделено вопросам радиационной безопасности и научным принципам регламентации радиационного воздействия на человека с учетом мирового опыта изучения медицинских последствий радиационных аварий и возможностей их ослабления.
Для студентов медицинских и биологических специальностей вузов.
УДК 615.849 ББК 28.071
ISBN 5-06-004265-0© ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2004
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запрещается.