Среди главных закономерностей можно выделить следующие: 1. Все ионизирующие излучения приводят к ионизации биосубстрата любого состава, т.е. все органы, системы и ткани в той или иной
1 С 1 января 1980 г. в России введено обязательное применение Международной системы единиц (СИ) на основе СТ СЭВ 1052-78. Употребление в тексте учебника внесистемных единиц радиометрических и дозиметрических величин обусловлено тем, что они встречаются в действующих документах, инструкциях по эксплуатации приборов.
степени подвержены разрушающему действию ионизирующего излучения.
2. Отмечается выраженное несоответствие между малой энергией поглощенной субстратом дозы и ее патогенным действием. Так, известно, что 6000 мЗв при остром воздействии является смертельной дозой. Вместе с тем энергии этой дозы хватит лишь для нагрева 1 см3 биологической ткани на 0,002 °С. Этот пример свидетельствует о том, что характеристики поглощенной дозы только с точки зрения ее энергии недостаточно для понимания развития патологических процессов в организме.
3. При большом повреждающем эффекте высоких доз ионизирующего излучения наблюдается незначительное число первично ионизированных молекул. Так, доза 6000 мЗв ионизирует в организме человека всего лишь 0,0001 часть всех молекул.
4. Важным аспектом характеристики биологического действия ионизирующего излучения на организм является отсутствие у человека органов чувств, способных реагировать на воздействие этой энергии. Человек субъективно органолептически не способен оценить ни время, ни характер, ни степень воздействия ионизирующего излучения, что с учетом конечного выраженного повреждающего действия делает этот вид излучения крайне опасным. Механизм развития лучевых поражений организма. В зависимости от
характера и локализации проявлений различают несколько этапов развития лучевых поражений.
Процессы первичных изменений при действии ионизирующих излучений. В процессе изучения биологических поражений учеными было предложено несколько теорий, объясняющих особенности первичных нарушений с той или иной степенью обоснованности.
Одной из теорий является теория мишени. Сущность теории заключается в разной чувствительности различных биоматериалов и структур организма к радиации. Предполагается, что в клетках организма имеются наиболее чувствительные объемы (мишени). Если в такую мишень попадает ионизирующее излучение, то клетка погибает. Если же в «мишень» излучение не попадает, то клетка остается живой. С точки зрения морфологии такими чувствительными «мишенями» можно считать те или иные важные клеточные структуры: ядро, ядрышко, хромосомы, гены.
Однако впоследствии было показано, что не ко всем биосубстратам применима эта теория. Ее механизм закономерен для быстро
размножающихся и растущих клеток: клеток крови, красного костного мозга, половых клеток и в значительно меньшей степени — для соматических клеток. Поэтому данная теория может быть применима лишь для частных условий.
Еще одной теорией, пытающейся объяснить характер развития лучевых поражений, является теория биологически активных веществ. Теория предполагает, что количество незначительных первичных повреждений лавинообразно увеличивается и приводит к тяжелейшим последствиям в результате разрушения некоторых клеток и субклеточных структур, например, макрофагов, лизосом и др., к выходу биологически активных веществ (гистаминоподобных веществ, ферментов и пр.) в межклеточное пространство, последующим проявлениям аутосенсибилизации, аутолизиса, вплоть до гибели организма. В настоящее время совершенно ясно, что указанные проявления являются лишь одним из этапов развития радиобиологических поражений.
Наиболее универсальной и общепринятой теорией механизма развития первичных поражений в биологических тканях является теория непрямого действия (теория «радиолиза воды»). Согласно этой теории, около 50\% поглощенной дозы ионизирующего излучения в клетке приходится на воду. При этом происходит «выбивание» электронов из молекул воды с образованием высокоактивных токсичных нейтральных радикалов.
Наиболее высокоактивный радикал НО2 является очень сильным окислителем. Он образуется при облучении воды в присутствии избытка кислорода: Н + О2 — НО2. В связи с этим снижение парциального давления кислорода в тканях во время облучения является профилактическим мероприятием, направленным на уменьшение неблагоприятных проявлений острых лучевых поражений. Эта реакция получила название кислородного эффекта. Вместе с тем снижение парциального давления кислорода в тканях в последующие стадии развития лучевых поражений не имеет значения и никак не влияет на скорость и тяжесть последних.
Таким образом, на данном этапе изменения происходят на уровне физико-химических реакций с образованием первичных высокоактивных радикалов: Н, ОН, НО2 (гидропероксид), Н2О2 (перекись), которые не свойственны организму и очень токсичны. Они дают начало цепным реакциям и вторично-радикальным процессам. Наступает стадия биохимических превращений в клетке, в реакции вступают биологические субстраты. Изменениям подвергаются белки, углеводы, липиды.
Воздействие ионизирующего излучения на белки приводит к снижению уровня незаменимых аминокислот (триптофана, метионина), инактивируются сульфгидрильные группы, снижается активность ферментов, нарушается синтез нуклеиновых кислот. Нуклеопротеиновые комплексы обладают очень высокой чувствительностью к ионизирующему излучению. ДНК клеточного ядра и РНК высвобождаются из нуклеопротеидов и уже через несколько минут после облучения накапливаются в клеточной цитоплазме. Это ведет к необратимым изменениям и даже к гибели клеток.
Значительной чувствительностью в клетке к действию ионизирующего излучения обладает процесс окислительного фосфорилирования: исследования показали, что одно из самых первых нарушений — это повреждение синтеза АТФ, что приводит, в свою очередь, к изменению углеводного обмена и тканевого дыхания. Простые сахара окисляются и переходят в токсичные соединения — органические кислоты, формальдегид. Происходит нарушение свойств полисахаридов. Так, мукополисахарид гиалуроновая кислота снижает свою вязкость, гепарин теряет антикоагулянтные свойства.
Однако, как показали исследования, наиболее важным пусковым механизмом патологических процессов на данном этапе является образование перекисей из липидов: биологический субстрат в тканях соединяется с первичными радикалами, в результате чего образуются стойкие активные нетипичные для организма вторичные радикалы. В свою очередь, каждый из вторичных радикалов нарушает тысячи молекул субстрата липидов.
Действие ионизирующих излучений на клеточном уровне. Рассматривая происходящие процессы с точки зрения целой клетки, следует отметить ряд закономерностей происходящих процессов:
• изменившие свою активность ферменты легко проникают через мембраны клеточных структур (ядро, митохондрии, лизосомы и др.) и разрушают их;
• чем больше структур в клетке, тем больше их устойчивость к ионизирующему излучению. Так, например, диплоидные клетки более устойчивы, чем гаплоидные;
• наиболее чувствительными и быстро разрушаемыми клетками являются клетки, отличающиеся активными обменными процессами, ростом и размножением;
• на уровне клетки при воздействии ионизирующих излучений происходят как процессы повреждения, так и процессы восста-
новления. Поэтому потенциальные нарушения могут не проявляться при активных репаративных процессах в клетках.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что в связи с разным уровнем организации, активности обменных процессов, скорости роста и деления степень радиочувствительности клеток различна. Наиболее чувствительными и радиопоражаемыми являются клетки кроветворной и лимфатической систем, а также клетки половых желез. Наименее радиопоражаемыми и устойчивыми к действию радиации считаются клетки нервной, костной и хрящевой тканей.
При воздействии ионизирующих излучений важнейшее значение имеют не только структурные нарушения клеток в тканях и органах, проявляющиеся соматическими детерминированными изменениями в организме, но и генетические перестройки. Это в первую очередь генные или точечные мутации (нарушение молекулярной структуры генов) и хромосомные аберрации (структурные и численные нарушения хромосом). В отдельных случаях возможны геномные мутации, т.е. кратные изменения всего гаплоидного набора хромосом. В целом соотношение мутаций, обусловленных воздействием ионизирующих излучений, соответствует спектру спонтанных мутаций.
Исходы мутагенного действия различны в зародышевых и соматических клетках. В зародышевых клетках как генные, так и хромосомные мутации приводят к наследственным уродствам, а впоследствии — к нежизнеспособности особей новых поколений. Мутации в соматических клетках ведут либо к гибели этих клеток, либо к стойкому закреплению этих качеств. Наиболее характерно проявление новых свойств в виде малигнизации и онкологических заболеваний как у объекта воздействия, так и у последующих поколений.
Действие ионизирующих излучений на целостный организм. Рассматривая действие ионизирующих излучений на организм как единое целое, мы можем выделить ряд закономерностей в реакции организма:
• чувствительность к ионизирующему излучению увеличивается с повышением уровня организации организма, т.е. рептилии более чувствительны к действию ионизирующих излучений, чем насекомые, а млекопитающие превосходят по своей чувствительности пресмыкающихся;
• у низших организмов малая чувствительность к ионизирующим излучениям обусловлена наличием в организме ряда биохимических веществ и процессов, отсутствующих у млекопитающих и человека;
• у млекопитающих, в том числе и у человека, наиболее чувствительны к воздействию ионизирующих излучений новорожденные (в связи с повышенной митотической активностью) и старые организмы (в связи с ослаблением репаративных процессов).
Эффект воздействия ионизирующих излучений на млекопитающих зависит от целого ряда условий. Это дробность воздействия, вид животного, объем и локализация облучаемых органов и тканей, вид излучения. В связи с этим в радиобиологии вводится понятие относительная биологическая эффективность (ОБЭ), которая учитывает эффект биологического действия различных излучений в определенных условиях. ОБЭ определяют как отношение дозы рентгеновского или гамма-излучения к дозе любого другого вида ионизирующего излучения, вызывающей такой же эффект. При этом ОБЭ рентгеновского и гамма-излучения принимается за 1.
Действие ионизирующих излучений на человека. Эффекты биологического действия ионизирующих излучений можно рассматривать с 3 позиций. Они могут быть:
• детерминированные и стохастические;
• соматические и наследственные;
• острые (ранние) и отдаленные.
Детерминированные эффекты — это проявления, которые характеризуются наличием пороговой дозы воздействия излучения, а тяжесть поражения у конкретного человека увеличивается в зависимости от повышения дозы облучения. Примерами таких проявлений являются острая и хроническая лучевая болезнь, лучевые ожоги, лучевая катаракта, клинически регистрируемые нарушения гемопоэза, половая стерильность и др.
Стохастические эффекты — это проявления, которые не имеют дозового порога. Считается, что сколь угодно малая доза излучения может вызвать в организме изменения любой тяжести, вплоть до смертельного исхода. При этом большие дозы не приводят к увеличению тяжести заболевания, а ведут к повышению статистической вероятности частоты поражений в популяции. Эти нарушения обусловлены генетическими изменениями и проявляются как отдаленные эффекты. К подобным проявлениям относятся онкологические заболевания, лейкозы, а также наследственные нарушения у потомства.
Соматические эффекты — это эффекты, которые проявляются у самого субъекта воздействия. Например, детерминированные соматические
эффекты, лучевая болезнь, катаракта, клинически регистрируемые нарушения гемопоэза, половая стерильность, а также онкологические заболевания, стохастические соматические эффекты — лейкозы.
К наследственным проявлениям можно отнести все нарушения у потомства, обусловленные воздействием ионизирующих излучений на предыдущие поколения.
И, наконец, к острым (ранним) следует отнести эффекты, проявляющиеся в течение нескольких часов или суток после острого воздействия дозы ионизирующего излучения. При этом принято считать, что острым является воздействие фактора либо однократно, либо дробно в течение не более 4 суток. Это такие проявления, как острая лучевая болезнь и лучевые ожоги.
Отдаленными эффектами надо считать такие соматические патологические проявления, как хроническая лучевая болезнь, лучевая катаракта, клинически регистрируемые нарушения гемопоэза, половая стерильность, а также стохастические эффекты в виде канцерогенеза, лейкозов и наследственных нарушений.
Рассматривая проявления биологических реакций организма человека на воздействие ионизирующих излучений, необходимо дать характеристику некоторым детерминированным и стохастическим эффектам.
Детерминированные эффекты включают в себя только соматические поражения. Они развиваются на уровне целостного организма и связаны с координирующей деятельностью центральной нервной системы, которая быстро реагирует на воздействие радиации, мобилизует комплекс органов и систем и инициирует защитные функции. Вероятный механизм этого процесса можно представить следующим образом: воздействие ионизирующего излучения на организм «включает» центральную нервную систему, которая, в свою очередь, запускает компенсаторные механизмы, например гуморальные, что ведет к компенсации патологических процессов в организме в целом.
Пределом возможностей компенсаторных процессов, по-видимому, и объясняется наличие порога в детерминированных проявлениях. Превышение порога ведет к поломке компенсаторных механизмов. Нарушаются все виды обменных процессов: белкового, в том числе ферментного, нуклеопротеидного, углеводного (нарушение системы окислительного фосфорилирования), липидного. Особое значение имеет не столько глубина процессов поражения, сколько рассогласование видов обмена и функций
организма за счет нарушения координирующей роли центральной нервной системы.
Таким образом, если на уровне клетки любой акт ионизации биологически значим, что проявляется как беспороговость, стохастические эффекты, то на уровне системы, а тем более — всего организма в целом, возможна компенсация, выражающаяся в появлении порогового уровня дозы ионизирующего излучения.
Одним из наиболее известных детерминированных проявлений после воздействия ионизирующего излучения является острая лучевая болезнь (ОЛБ). Она относится к ранним соматическим эффектам. Острая форма лучевой болезни — это общее заболевание, вызываемое кратковременным (от нескольких минут до 4 сут) одномоментным или повторяющимся действием ионизирующего излучения либо поступлением радиоактивных веществ в организм, которые создают в короткий срок общую эквивалентную дозу в тканях свыше 1000 мЗв.
В зависимости от дозы облучения различают следующие степени тяжести ОЛБ:
• I степень (легкая) — доза облучения 1000-2000 мЗв;
• II степень (средней тяжести) — 2000-3000 мЗв;
• III степень (тяжелая) — 3000-5000 мЗв;
• IV степень (крайне тяжелая) — свыше 5000 мЗв.
Еще одним детерминированным ранним соматическим проявлением лучевого поражения являются лучевые ожоги. Они развиваются при локальном остром воздействии достаточно высоких доз ионизирующего излучения на кожные покровы. Выделяют 4 степени тяжести лучевых ожогов.
Ожог I степени развивается при дозе облучения до 5000 мЗв. Проявляется местным легким шелушением эпидермиса, пигментацией, зудом кожи, обратимым выпадением волос.
Ожог II степени возникает после воздействия дозы ионизирующего излучения до 8000 мЗв. В качестве основных симптомов следует назвать развитие эритемы через 10-14 дней после облучения, появление отечности, боли, выпадение волос. Волосяной покров восстанавливается через 3-4 мес.
Ожог III степени (уровень дозы облучения до 12 000 мЗв) характеризуется развитием выраженной эритемы, пузырей и некроза кожи уже через 6 дней после воздействия излучения. Восстановление тканей длительное, вялое.
Ожог IV степени развивается при дозе местного лучевого воздействия свыше 12 000 мЗв и более. Через 3-4 дня появляются выраженная эритема и отечность тканей, переходящие в глубокий некроз кожи и длительно не заживающие трофические язвы.
К общим закономерностям клиники лучевых ожогов следует отнести наличие латентного периода, тем более короткого, чем выше доза облучения; вялое и длительное течение процесса; быстрое изъязвление кожных покровов, плохую регенерацию тканей.
К детерминированным соматическим отдаленным эффектам относится хроническая форма лучевой болезни. Она развивается при длительном повторном воздействии относительно небольших, но превышающих допустимые пределы доз ионизирующего излучения. В зависимости от уровней поглощенных доз степень тяжести течения заболевания может быть легкой, средней тяжести и тяжелой.
Общими симптомами болезни, выраженность которых зависит от степени ее тяжести, являются жалобы астенического характера: головная боль, не поддающаяся лечению, расстройство сна, слабость, подавленное настроение, раздражительность и т.д. В крови отмечается снижение количества лейкоцитов, тромбоцитопения, анемия. Отмечается боль в трубчатых костях и по ходу нервов, нарушение координации движений и походки. В связи с нарушением состояния сосудистой стенки и свертываемости крови на коже возникают петехии, геморрагии, кровоточивость десен, внутренние кровотечения. Возможны трофические нарушения кожи. Из-за ослабления иммунитета повышен риск присоединения вторичной инфекции — в первую очередь респираторной. При этом ослабление иммунитета проявляется следующим образом:
• нарушением барьерных функций организма: снижением бактерицидности слизистых и кожи, резким угнетением фагоцитарной активности лейкоцитов, бактерицидности сыворотки крови, повышением проницаемости клеточных мембран по отношению к микробам;
• повышением вирулентности микроорганизмов в организме облученного;
• резким ослаблением способности выработки антител на введенный антиген, что делает практически невозможным создание искусственного иммунитета.
К детерминированным соматическим отдаленным эффектам относится лучевая катаракта. Показано, что для ее развития доста-
точно однократного воздействия дозы ионизирующего излучения, равной 0,5-2,0 Зв (помутнение хрусталика), либо до 5,0 Зв (выраженная катаракта). Однако заболевание развивается после скрытого периода, составляющего от 2 до 7 лет, что позволяет отнести его к отдаленным последствиям. Другой вариант развития катаракты обусловлен многоразовым хроническим воздействием в течение нескольких лет при ежегодной дозе 0,1-0,15 Зв.
К детерминированным соматическим отдаленным эффектам следует отнести также клинически регистрируемые нарушения гемопоэза и половую стерильность, поскольку эти эффекты проявляются в отдаленные сроки индивидуально у людей или животных, на которых воздействовали дозы, превышающие пороговые.
Все стохастические эффекты при действии ионизирующих излучений являются отдаленными. К этой группе эффектов относятся такие соматические проявления, как повышение количества новообразований и лейкозов, обусловленных воздействием излучений на генетический аппарат соматических клеток и их малигнизацию. Закономерность возникновения новообразований выявляется не в зависимости от повышения индивидуальной дозы, а в связи с воздействием самых минимальных дополнительных к фону доз на большом контингенте людей. То есть чем больше популяция, тем достовернее этот вид отдаленных последствий (популяционная доза).
Важными стохастическими проявлениями являются эффекты от воздействия ионизирующего излучения на ростковые клетки на разных этапах их развития. Подобные воздействия вызывают мутации в этих клетках. Вид мутаций приводит к различным последствиям. Так, при хромосомных мутациях не исключено бесплодие. При точечных мутациях зачатие возможно, но велика вероятность рождения неполноценного ребенка. При этом следует помнить, что мутации могут идти по рецессивному признаку. Поэтому нарушения могут проявиться в 3-4-м поколении. Подобные эффекты относятся к наследственным проявлениям.
Возможно непосредственное действие ионизирующего излучения на эмбрион и плод. Проявления в такой ситуации зависят от периода беременности. Так, яйцеклетка погибает, если действие ионизирующего излучения осуществляется в момент ее прикрепления к стенке матки. Если облучение дозой более 0,1 Зв происходит во время закладки органов на 4-12-й неделях беременности (период
органогенеза), то результатом могут быть самые тяжелые уродства у плода и родившегося ребенка. При облучении плода в утробе матери между 8-й и 15-й неделями беременности дозой более 0,2 Зв последствием может быть выраженная умственная отсталость у родившихся детей. Облучение на поздних стадиях имеет последствием гибель плода и мертворождение.
Следует отметить, что особенности и степень выраженности эффектов облучения зависят от 3 видов факторов:
1. От особенностей организма, которые определяются половыми, возрастными и индивидуальными характеристиками, а также чувствительностью органов, подвергшихся облучению. Так, известно, что яйцеклетки более чувствительны, чем сперматозоиды; человек вдвое чувствительнее к ионизирующему излучению, чем белые мыши; а чувствительность детей и стариков выше, чем взрослого организма (первых — в связи с большой митотической активностью клеток, вторых — в связи с нарушением процессов репарации и компенсации).
Установлено также, что индивидуальная чувствительность организма обусловлена в определенной мере состоянием центральной нервной системы и ее координирующей функцией, уровнем здоровья человека, функциональным состоянием эндокринной системы и т.д. Из органов и тканей наиболее чувствительны к облучению гонады, а наименее — костная и хрящевая ткани, клетки нервной системы. Это обусловлено активностью митоза клеток, уровнем биохимических процессов и учитывается соответствующим взвешивающим коэффициентом чувствительности.
Кроме того, различные органы и ткани в связи с особенностями обмена веществ избирательно депонируют те или иные радиоактивные вещества, а следовательно, наиболее радиопоражаемы. Щитовидная железа накапливает радиоактивный йод, костная ткань — радий и стронций, лимфатическая система — изотопы золота.
2. Сила воздействия обусловлена видом и характером ионизирующего излучения: чем выше проникающая способность и ионизационная активность, а также чем больше доза и энергия излучения, тем сильнее выражен эффект облучения.
3. И, наконец, эффект воздействия при облучении может зависеть от сопутствующих факторов и условий: тяжелой физической нагрузки, высокой температуры окружающей среды, одновременного влияния химических факторов и т.д.