Реакции различных структур клеток, органов и тканей человека на радиационное поражение.

Реакции различных структур клеток, органов и тканей человека на радиационное поражение

Радиоактивные вещества могут воздействовать на организм человека внешне и внутренне. Внешнее облучение характеризуется воздействием ионизирующего излучения извне и обусловлено различной проникающей способностью частиц. Внутреннее облучение связано с попаданием радиоактивного вещества внутрь человеческого организма с пищей (пероральный путь поступления), с вдыхаемым воздухом (ингаляционный путь) или через открытую рану (непосредственно в кровь).

Сложный патогенез радиационных поражений можно разделить на две фазы:

- первичного действия радиации на молекулярном и клеточном уровне, т.е. механизмов поглощения радиации, ионизации атомов и молекул, первичных физико-химических процессов вызванных непосредственным действием радиации в момент облучения и являющихся пусковым моментом развития дальнейших патологических процессов.

- фазы развития патологических процессов в организме на молекулярном, органном, системном и организменном уровнях.

Патогенетически наиболее важные процессы развития поражения связаны с поражением радиочувствительных клеток организма. Высоко чувствительны к радиации интенсивно размножающиеся клетки кроветворной ткани красного костного мозга, гонад, слизистой кишечника, а также лимфоциты (хотя последние не размножаются, но постоянно претерпевают различные трансформации). Эти клетки погибают от облучения сравнительно низких доз (1 – 4 Гр).

Неразмножающиеся нервные и мышечные клетки разнорезистентны, гибель их наступает при облучении в высоких дозах (от 40 до 10 Гр). Следует отметить, что нервные клетки на ранних стадиях развития плода также высокочувствительны к облучению т.к. на этих стадиях развития они размножаются.

Механизмы первичного действия радиации на клетки различны. Некоторые теории и гипотезы объясняют механизмы действия радиационного излучения на клетки, причем эти теории, как оказалось, не противоречат, а дополняют друг друга. Теория прямого действия или теория мишени (Н.В. Тимофеев - Ресовский и др.) объясняет лучевое поражение клетки как результат прямого попадания гамма-кванта или ионизирующей частицы в особо чувствительный объем клетки, в "мишень", удар по которому (прежде всего в ядро клетки) ведет к инактивации, гибели клетки. Эта теория была дополнена теорией непрямого, косвенного действия радиации, в частности на воду, занимающую около 80% массы клетки. При облучении воды образуются ионы и свободные радикалы, которые существуют миллионные доли секунды, и могут оказывать повреждающее действие на структуры клетки.

Кислородный эффект выражается в усилении повреждающего действия радикалов в присутствии кислорода, который взаимодействует с радикалами воды гидратированным электроном, образуя окисляющиеся радикалы. Оказывается, при облучении в присутствии нормального содержания кислорода все клетки и организмы более чувствительны к радиации, наоборот, любая гипоксия, недостаток кислорода в момент облучения снижает радиочувствительность в 2-3 раза, т.е. при этом повышается сопротивляемость (толерантность) к облучению.

Была выдвинута сульфгидрильная гипотеза (Баррон, З.Баб, З.Я. Траевский и др.): окисляющему действию радиации высоко чувствительный SH - группы ферментов и белков, и это может приводить к изменениям и нарушениям биоструктур клетки. Эта гипотеза не оправдалась в полной мере, но в состав многих радиопротекторов входят SH -группы. Были выдвинуты теории образования первичных радиотоксинов: липидных радиотоксинов (осуществляют снижение системы антиоксидантной защиты) в результате действия на ненасыщенные жирные кислоты (Б.Н. Тарусов) и хиноидных, при облучении ароматических соединений (А.М. Кузин).

Клетки представляют собой основные ячейки жизни, в которых формируются начальные эффекты лучевых воздействий, приводящие к поражениям, проявляющимся позднее на более высоких уровнях биологической организации - тканевом, органном, системном, организменном. Поэтому в радиобиологии уделяют особое внимание процессам, развивающимся после облучения именно в клетках.

В живой клетке постоянно осуществляется обмен веществ с внешней средой, между отдельными внутриклеточными структурами. Молекулярные повреждения, возникшие в клетках на начальных стадиях действия ионизирующих излучений, изменяют ход обменных процессов, осуществляющихся при участии поврежденных структур. Поскольку локализация и характер первичных повреждений в той или иной молекулярной структуре клетки носит в значительной степени вероятностный характер, весьма разнообразны и связанные с ними изменения метаболизма.

Нарушение метаболических процессов, в свою очередь, приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке. Этот феномен получил наименование "биологического усиления" первичного радиационного повреждения. Однако, наряду с этим, в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций.

Наиболее значимы для судьбы облученной клетки, изменения нуклеинового обмена, белкового обмена, окислительного фосфорилирования.

Практически сразу после облучения в делящихся клетках замедляется синтез ДНК. Активируются эндо- и экзонуклеазы, вследствие чего повышается ферментативный гидролиз молекул ядерной ДНК; увеличение проницаемости внутриклеточных мембран способствует поступлению ферментов во внутриядерное пространство, повышает доступность ядерной ДНК для ферментативной атаки. Распад ДНК приводит к повышению содержания в тканях полидезоксинуклеотдов. В крови и моче облученных нарастает количество нуклеотидов и продуктов их разрушения - азотистых оснований, нуклеозидов, мочевой кислоты и др.

Синтез РНК снижается в меньшей степени, чем ДНК. Отчасти нарушение синтеза РНК зависит от повреждения матричных структур ДНК.

Повреждение мембран лизосом и выход за их пределы протеаз способствуют в ранние сроки после облучения активации процессов протеолиза. Эта активация проявляется повышением уровня свободных аминокислот и других аминосоединений в тканях и жидкостях организма, аминоацидурией, развитием отрицательного азотистого баланса. Повышается активность протеолитических ферментов в крови, тканях, моче. Нарушается активность ингибиторов протеаз. Активация протеолиза не всегда является выражением процессов, происходящих в сохранивших жизнеспособность клетках. Она может отражать завершение деструкции уже погибших клеток.

Биосинтез белка нарушается мало. Однако, продолжающийся синтез белка в сочетании с глубоким снижением или даже прекращением синтеза ДНК может привести к серьезным нарушениям структуры и пространственной организации нуклеопротеидных комплексов. Распад комплекса ДНК- гистон облегчает доступ мутагенов к освобожденным от связей с белком участкам ДНК.

Интенсивность потребления кислорода существенно не изменяется. Однако, в первые часы после облучения иногда наблюдаются признаки тканевой гипоксии. В высоко радиочувствительных клетках уже после облучения в сравнительно невысоких дозах отмечается нарушение окислительного фосфорилирования, проявляющееся снижением коэффициента Р/О.

В клетках кроветворных тканей угнетение окислительного фосфорилирования выявляется уже через 2-4 ч после облучения, параллельно с глубоким распадом ДНК. По мнению ряда исследователей, нарушение синтеза АТФ является пусковым звеном в послелучевой деградации ДНК. Нарушение синтеза макроэргов может сказаться и на развитии восстановительных процессов, в частности, на работе системы ферментов репарации ДНК. Таким образом, подавление окислительного фосфорилирования играет заметную роль в радиационном поражении генетических структур клетки.

Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование в клетках перенесшего облучение организма, как правило, довольно быстро восстанавливается.

Большинство тканей взрослого человека относительно мало чувствительны к действию радиации. Почки выдерживают суммарную дозу около 23 Гр., полученную в течение пяти недель, без особого для себя вреда, печень по меньшей мере 40 Гр. за месяц, мочевой пузырь по меньшей мере 55 Гр. за 4 недели, а зрелая хрящевая ткань до 70 Гр. Под влиянием ионизирующего излучения возникают злокачественные новообразования. Причем прослеживается четкая зависимость возникновения злокачественных новообразований от дозы, чем она больше, тем выше риск. Хотя и при малых дозах может возникнуть рак. Это подтверждают обширные обследования, охватившие около 100 000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в 1945 году, рабочих урановых рудников и пациентов, прошедших курс лучевой терапии.

По полученным данным онкологические заболевания возникали при воздействии дозы облучения от 0,01 до 2 Гр. Согласно имеющимся данным, первыми в группе раковых заболеваний, поражающих население в результате облучения, стоят лейкозы. Они вызывают гибель людей в среднем через 10 лет с момента облучения. Острый и хронический лейкоз возникает при воздействии доз от 1 Гр. при облучении всего тела, при котом страдают клетки красного костного мозга. Достаточно часто у населения возникают злокачественные опухоли щитовидной и молочной желез, легких и органов дыхания. Рак молочных желез у женщин чаще возникает при диагностических или терапевтических облучениях. Рак щитовидной железы возникает достаточно редко и регистрируется при поступлении радиоактивного йода, при введении его в терапевтических целях при пероральном или ингаляционном поступлении. Рак легких и верхних дыхательных путей чаще возникает у рабочих урановых рудников, в шахтах которых высокая концентрация радона, обладающего близкой чувствительностью к легочной ткани. Рак других органов и тканей, например желудка, печени, толстой кишки, встречается среди облученных групп населения реже. А риск возникновения рака костных тканей, пищевода, тонкой кишки, мочевого пузыря, поджелудочной железы, прямой кишки и лимфатических тканей еще меньше. Дети более чувствительны к облучению, чем взрослые, а при облучении плода риск заболевания раком, по-видимому, еще больше.

После облучения в первые несколько дней или недель развиваются острые последствия облучения. Например, острая лучевая болезнь.

Острая лучевая болезнь (ОЛБ) возникает после тотального однократного внешнего равномерного облучения. Между величиной поглощенной дозы в организме и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость.

При облучении дозой от 200 до 800 рад средняя продолжительность жизни не превышает 40 суток. На первый план при этих дозах выступает нарушение кроветворения. При дозах до 3000 рад (продолжительность жизни около 8 суток) ведущим становится поражение кишечника, а при еще больших дозах (продолжительность жизни 2 суток и менее) смерть наступает от повреждения центральной нервной системы.

Категории:

1.Если доза облучения основной массы тела достигает 500-1000 рад и более, то выживание невозможно, несмотря на медицинский уход и терапию (в Чернобыле - 19 погиб/1 жив).

2.При дозах 200-500 рад выживание возможно, но необходимо своевременное и квалифицированное лечение (в Чернобыле – 7 погиб./14 выжив.).

3. При дозах 100-200 рад выживание вполне вероятно без специального лечения, так как поражение не столь сильное, чтобы вызвать существенное угнетение костного мозга (в Чернобыле - 1 погиб/31 жив).

4. При дозах менее 100 рад выживание несомненно, а клиническая симптоматика не требует медицинского вмешательства (40 чел. в Чернобыле).

Дробление дозы снижает эффект облучения.