Действие излучения на живые клетки

Рис. 4.1. Клетка живой ткани: М – мембрана;     С – цитоплазма; G – органеллы; F – хромосомы, содержащие ДНК;   N – ядро

Особую роль в формировании реакции живых клеток на воздействие ионизирующего излучения играют процессы, происходящие в клеточном ядре, а также внутриклеточные процессы, усиливающие первичные повреждения биологически важных макромолекул. Схематичес-ки клетка живой ткани представлена на рис. 4.1. Клетка, по существу, представляет собой самовоспроиз-водящуюся химическую систему. Для того, чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию химических веществ, эта система должна быть физически отделена от своего окружения и вместе с тем она должна обладать способностью к обмену с этим окружением, т.е. способностью поглощать те вещества, которые требуются ей в качестве «сырья», и выводить наружу накапливающиеся «отходы». Таким путем, т.е. выполняя работу, эта система может сохранять стабильность. В то время, как клетки разных органов различаются по размерам, форме и детальной структуре, некоторые черты являются общими. Каждая клетка характеризуется мембраной (М)[34], ограничивающей гелеобразную цитоплазму (С), состоящую на 85 % из воды, химических продуктов и из некоторых обособленных более мелких структур, каждая из которых выполняет свою особую функцию. Такие четко очерченные структуры были названы органеллами, что в переводе означает «маленькие органы». Первым среди ораганелл было открыто ядро, которое в 1831 г. описал Роберт Браун. Это самая крупная и самая важная органелла, поскольку в ядре содержатся хромосомы[35], хранящие ДНК. Самыми мелкими органеллами являются рибосомы (место синтеза белка).

Роль поражения клеточного ядра в биологическом действии ионизирующего излучения была выявлена более ста лет тому назад. В результате интенсивных экспериментальных исследований биологического действия ионизирующего излучения уже в 1903 г. было установлено, что основную роль в радиочувствительности клетки играет поражение ее ядра, а через год, в     1904 г., был сформулирован фундаментальный закон: чувствительность клеток к воздействию ионизирующего излучениятем сильнее, чем выше репродуктивная активность клеток и чем ниже степень дифференциации клетки[36] в соответствии с ее морфологией и функцией. По имени авторов, французских радиобиологов, этот закон называют правилом Бергонье и Трибондо[37]. Таким образом, один из главных выводов радиобиологии состоит в том, что быстро делящиеся клетки более чувствительны к облучению, чем клетки зрелых тканей, редко делящиеся или полностью дифференцированные и утратившие способность к делению.

Исследование структуры клеточного ядра и открытие в    1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры материального носителя клеточной наследственности – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) позволило создать более или менее определенную картину биологического действия ионизирующего излучения. Двойная спираль ДНК является важнейшей макромолекулой клетки. От ее целостности зависит дальнейшая судьба клетки – закодированная в ДНК информация необходима для воспроизводства клетки (ее деления) и, следовательно, для сохранения целостности и функции биологической ткани. Ионизирующее излучение, подобно другим факторам (физическим и химическим), может привести к разрушению отдельных химических связей в ДНК – к разрыву одной или обеих ее нитей. Если повреждена одна нить, то возможно восстановление структуры ДНК за счет действия механизмов восстановления (репарации), которые по второй нити способны полностью восстановить повреждение первой. В области малых доз возникновение одинарных разрывов ДНК характерно при воздействии излучений с низкой ЛПЭ (фотонов, электронов, быстрых протонов). Если повреждены оба комплементарных участка ДНК, то такое восстановление становится невозможным, что приводит к нерепарируемому повреждению ДНК, которое может иметь тяжелые последствия для судьбы клетки. Такие разрывы, как правило, приводят к инактивации и гибели клеток. В области малых доз возникновение двойных разрывов ДНК происходит при воздействии излучения с высокой ЛПЭ (альфа-частиц, медленных протонов). В этом случае достаточно, чтобы трек одной тяжелой заряженной частицы пересек обе спирали ДНК и повредил их. Возникновение двойных разрывов ДНК при воздействии излучений с низкой ЛПЭ возможно только в области больших доз. Для такого события необходимо, чтобы треки двух заряженных частиц (электронов) пересекли комплементарные участки спирали ДНК и повредили их.

Важнейшее значение в судьбе облученной клетки имеет работа системы репарации повреждений ДНК (рис. 4.2). Вместе с первичным эффектом (повреждением ДНК) репарация определяет раннюю клеточную реакцию на радиационное воздействие. При правильной репарации (обычно такая репарация возможна только в отношении одинарных разрывов ДНК) не наблюдается никаких последствий облучения. Напротив, ошибочная репарация одинарных разрывов может привести либо к гибели клетки или к возникновению ее нежизнеспособных потомков (инактивации клетки, ее репродуктивной гибели), либо к возникновению при делении клетки жизнеспособных потомков – носителей мутации. Мутацией называют естественное возникающее или искусственно вызванное стойкое изменение структур клетки, ответственных за хранение наследственной информации. Эти структуры обеспечивают передачу наследственной информации от клетки к клетке в процессе деления, без которого невозможно существование организма. В результате мутации возникает клетка со свойствами, нехарактерными для данной ткани, например, способная к неуправляемому делению (неоплазии).

В экспериментах с разными биологическими объектами и излучениями была обнаружена фундаментальная особенность биологического действия излучения на живые клетки, которая состоит в том, что при любой дозе есть отличная от нуля вероятность того, что какие-то из облученных объектов останутся неповрежденными. Это указывает на то, что в основе биологического действия излучения лежат случайные процессы передачи энергии излучения веществу, возникновения первичных эффектов и т.д. Вероятностный характер реакции биологических объектов на облучение является фундаментальным радиобиологическим законом. Вместе с тем можно ожидать, что одна ионизация может привести к повреждению (разрыву) ДНК, последствия которого могут быть усилены ошибочной репарацией и привести к серьезному поражению облученной клетки. Таким образом, отлична от нуля вероятность того, что передача биологической ткани порции энергии ионизирующего излучения величиной в несколько электронвольт (~10^-18 Дж) может привести к гибели или мутации облученной клетки.

ПЕРВИЧНЫЙ ЭФФЕКТ   Повреждение ДНК

КЛЕТОЧНАЯ РЕАКЦИЯ   Правильная репарация   Инактивация   Ошибочная репарация

НЕТ ЭФФЕКТА

ГИБЕЛЬ КЛЕТОК

ПОВРЕЖДЕНИЕ ТКАНИ КЛЕТОК

МУТАЦИЯ КЛЕТОК

НЕОПЛАЗИЯ

РАННЯЯ КЛЕТОЧНАЯ РЕАКЦИЯ ТКАНИ КЛЕТОК

КЛЕТОЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ

ПОСЛЕДСТВИЯ

Рис. 4.2. Стадии формирования радиационных эффектов

4.4. Биологические эффекты, возникающие у  человека под действием ионизирующего излучения

Биологические эффекты излучения у человека невозможно свести только к реакции на облучение отдельных клеток. Решающую роль в формировании биологических эффектов излучения играет коллективный отклик на воздействие излучения клеток, составляющих органы и ткани. Эти тканевые реакции нацелены на сохранение целостности и функции органа и ткани, что во многом определяет развитие радиационного поражения. Клетки, из которых состоят органы и ткани тела человека, можно разделить на две неравные группы:

- мужские и женские половые клетки, в результате слияния которых может возникнуть человеческий зародыш;

- соматические[38] клетки, к которым относят все остальные клетки тела человека.

Согласно современным представлениям, биологические эффекты излучения делят на детерминированные и стохастические. Это деление представлено в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Биологические эффекты ионизирующего излучения у человека

Клетки-мишени	Эффекты излучения
	Детерминированные	Стохастические
Соматические клетки человека	Лучевые поражения  ор-ганов и тканей	Злокачественные опухоли и лейкозы
Половые клетки родителей	Гибель эмбриона или пло-да	Наследуемые забо-левания у потом-ков[39]
Соматические клетки эмбриона или плода	Врожденные уродства и аномалии	Злокачественные опухоли и лейкозы

В основе развития детерминированных эффектов лежит гибель соматических клеток (клеток органов и тканей) под действием больших доз излучения. В основе развития стохастических эффектов лежит изменение природы клеток под действием излучения. При малых дозах облученные клетки хотя и повреждаются излучением, но выживают и приобретают новые качества, передающиеся их потомкам. Такие клетки называют клетками-мутантами.

Изучение эффектов излучения является основой для разработки стратегии защиты человека от рисков, связанных с использованием источников ионизирующего излучения. Биологические эффекты излучения в значительной степени определяются свойствами самого облучаемого объекта, однако они сходны для живых организмов, относящихся к одному классу, например, для млекопитающих. Поэтому радиобиологические эксперименты на животных служат для исследования общих закономерностей радиационного поражения. Фактической базой радиационной безопасности является многолетнее наблюдение за группами облученных людей. В начале XX в. такой наблюдаемой группой были врачи-радиологи, а после Второй Мировой войны – жители Хиросимы и Нагасаки, выжившие после применения ядерного оружия, жертвы радиационных аварий, больные, подвергавшиеся терапевтическому облучению, работники атомной промышленности.

Детерминированные эффекты

Детерминированные эффекты излучения возникают при облучении большими дозами. Детерминированные эффекты излучения - это клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше – тяжесть эффекта зависит от дозы. В основе этих эффектов, в первую очередь, лежит поражение значительного количества клеток облученного органа, ограничивающее воспроизводство клеток и обеспечивающее их нормальное функционирование. К таким эффектам относят

- острую и хроническую лучевые болезни;

- локальные поражения органов или тканей (например, радиационные ожоги);

- лучевую катаракту (помутнение хрусталика глаза);

- аномалии и врожденные пороки развития новорожденных, являющиеся детерминированными эффектами облучения плода в эмбриональном периоде (нарушение воспроизводительной функции).

Как правило, детерминированные эффекты излучения специфичны и не возникают под действием других физических или химических факторов, а связь между эффектом и облучением носит причинно-следственный (детерминированный) характер. Значение пороговой дозы, ниже которой эффект отсутствует, определяется радиочувствительностью клеток пораженного органа или ткани и способностью организма компенсировать или восстанавливать такое поражение и зависит от величины дозы и ее мощности. При большой мощности дозы пороговая доза достигает минимального значения. Величина пороговой дозы является наименьшей для интенсивно обновляющихся тканей, например, красного костного мозга, и наибольшей для слабообновляющихся клеточных систем, например, нервной (в соответствии с правилом Бергонье и Трибондо). При ограниченном объеме поражения ткани функциональные нарушения со временем компенсируются, а структурные дефекты критических тканей замещаются «рубцовыми» тканями, т.е. со временем в пораженном органе развивается фиброзирование ткани [40]. Так, например, радиационное поражение легочной ткани может закончиться пневмофиброзом или пневмосклерозом.

Дозовые зависимости, характерные для детерминированных эффектов, имеют сигмоидальную форму и характеризуются несколькими параметрами:

- LD ₅₀ – медианной дозой, при которой рассматриваемый эффект (например, преждевременная смерть) возникает у 50 % облученных;

- LD ₉₅  – смертельной дозой, при которой рассматриваемый эффект (например, преждевременная смерть) возникает у 95 % облученных;

- LD ₀₅ – пороговой дозой, при которой рассматриваемый эффект (например, преждевременная смерть) возникает у 5 % облученных.

Определение значения максимальной дозы LD₀, при которой не возникает эффект, и минимальной дозы LD ₁₀₀, при которой эффект возникает всегда, является сложной задачей математической статистики, для корректного решения которой необходимо иметь большой объем фактических данных. Поэтому для практических целей в качестве пороговой дозы используют величину LD ₀₅, а смертельной - LD ₉₅, при которых рассматриваемый эффект (например, преждевременная смерть) возникает у 5 и 95 % облученных соответственно. Источником данных для определения значений LD ₅₀ и LD ₀₅, характеризующих радиационные эффекты у человека, являются радиационные аварии, в результате которых погибло небольшое число людей. Например, за 50 лет (с 1950 по 2000 гг.) в ведущей клинике радиационных поражений бывшего СССР и России - в клиническом отделе Института биофизики Минздрава СССР[41] - была оказана помощь 321 больному с диагнозом острой лучевой болезни, из которых 69 человек спасти не удалось.

В таблице 4.3 приведены диапазоны доз острого облучения тела человека фотонами, которые приводят к развитию острой лучевой болезни разной степени тяжести. Острой лучевой болезнью называется совокупность клинических синдромов, развивающихся при кратковременном облучении фотонами в поглощенных дозах, превышающих 1 Гр на все тело. Представленные в таблице значения доз и сроков гибели при повреждении костного мозга оценены для условий, когда облученным не оказывается специализированная медицинская помощь. Своевременная и квалифицированная медицинская помощь приводит к существенному смещению кривой «доза-эффект» в область больших доз. При поглощенных дозах менее 5 Гр, когда гибель людей определяется поражением костного мозга, эта помощь настолько эффективна и доступна, что оценить значение LD ₅₀ для этого эффекта в условиях отсутствия медицинской помощи оказалось весьма затруднительно.

Неравномерность облучения красного мозга, при которой часть кроветворной ткани оказывается не пораженной, также приводит к тому, что облученные выживают при больших дозах. В случае неравномерного облучения выживание возможно при гораздо более высоких дозах и в значительной степени зависит от степени поражения красного костного мозга и последующего лечения. При дозах облучения всего тела фотонами выше 10 Гр прогноз выздоровления неблагоприятный.

Таблица 4.3

Детерминированные эффекты однократного равномерного облучения всего  тела фотонами

Основная причина смерти	D, Гр	Вероятность гибели, %	Срок гибели, сут
Повреждение костного мозга	1 -  2	0	-
	2 - 6	0 - 80	60
	6 -10	80 - 100	30 - 60
Повреждение желудочно-кишечного тракта и легких	10 - 20	90 - 100	14
Повреждение сердечно-сосудистой системы	20 - 50	100	3 - 7
Повреждение центральной нервной системы	50 - 100	100	1 - 2

При хроническом облучении возможны восстановительные процессы и в ходе облучения, поэтому при пролонгированном воздействии пороговые дозы детерминированных эффектов оказываются выше, чем для однократного облученияНа основе имеющихся данных о причинах смерти людей, подвергшихся острому равномерному облучению всего тела, можно сформулировать общие закономерности развития детерминированных эффектов облучения:

-   в силу индивидуальной радиочувствительности людей любой эффект характеризуется диапазоном значений пороговых доз;

-   с ростом дозы облучения меняется биологический эффект, возникновение которого, в конечном итоге, приводит к смерти;

-   с ростом дозы облучения растет тяжесть эффекта, которую отражает сокращение времени дожития (промежутка времени между облучением и смертью при отсутствии специализированной медицинской помощи);

-   с уменьшением мощности дозы и увеличением протяженности облучения во времени риск развития детерминированного эффекта уменьшается благодаря восстановлению функций пораженного органа.