Биологическое действие ионизирующих излучений

1) клетки, сохранившие способность к делению;

2) клетки, прошедшие период восстановления;

3) клетки, находящиеся в покое. Этот процесс называется репопуляция. Доля необратимых лучевых поражений клеток и тканей варьирует в зависимости от условий облучения от 8 до 30% общего количества повреждений. Восстановление или репарация - это общебиологическое явление, которое начинается на молекулярном уровне и заканчивается на популяционном или биоценозном.

Известно, что причиной гибели клеток являются молекулярные повреждения ДНК, вызывающие однонитевые и двойные разрывы молекулы. Поэтому репарация клеток сводится к репарации ДНК. Выделяют 3 вида репарации ДНК:

1) дорепликативная;

2) репликативная;

3) пострепликативная.

Дорепликативная репарация однонитевых разрывов может осуществляться двумя нитями: восстановление разрывов и экспозиция (вырезание) поврежденных оснований при участии ферментов (ДНК-лигазы, эндонуклиды и ДНК-полимеразы). Эксцизия сопровождается удалением поврежденного основания с участком ДНК и последующей его заменой таким же основанием, поэтому синтез ДНК происходит на восстановленной матрице. Предлагается существование 3-х типов репарации однонитевых разрывов: медленная (до 1 часа), быстрая (до 10 мин) и сверхбыстрая (до 2 мин). Для репарации двойных разрывов ДНК необходимо наличие поврежденных участков в гомоложной нити, по подобию которых формируется временные комплексы для восстановления поврежденных участков. При репликативной репарации повреждения восстанавливаются в зоне роста цепи ДНК. Восстановленная ДНК не всегда идентична исходной ДНК, поэтому сохранения измененной структуры ДНК в поколениях клеток является причиной отдаленных последствий. Пострепликативная репарация не всегда сопровождается полным восстановлением, поэтому дочерние нити могут иметь пробелы. Однако, клетки сохраняют жизнеспособность не смотря на наличие деффектов. Выделяют одноэтапную репарацию ДНК, когда некоторые типы оснований восстанавливаются под влиянием специальных ферментов. Нарушения ДНК возникающие в ходе репарации ДНК называют ошибочной репарацией, в результате которой формируются вторичные повреждения структыры ДНК или осаются невосстановленными деффекты. Установлено, что при повреждении ДНК в облученных клетках возникают генные продукты, которых в норме нет в клетках. Эти продукты ускоряют репарацию и повышают радиоустойчивость клеток, что может иметь значение при адаптации к хроническому облучению.

5. Радиочувствительность организмов

Причины и механизмы, определяющие естественную радиочувстви-тельность биологических объектов, пока полностью не раскрыты, но многие аспекты хорошо изучены. Например, факторы, влияющие на радиоустойчивость растений по классификации Гродзинского Д.М., разделяются на 3 группы. К первой группе отнесены факторы, обусловленные филогенезом вида, которые нельзя модифицировать: анатомическое строение растений, размер семян, объем клеточных ядер и хромосом, число хромосом и плоидность. Во вторую группу входят факторы, характеризующие функциональное состояние отдельных структур клетки и физиологическое состояние генома: этап онтогенеза, содержание сульфгидрильных групп (SH-групп), наличие антиоксидантов и макроэргов, способность к пострадиационному восстановлению. Третью группу факторов представляют факторы внешней среды, такие, как погодно-климатические условия и условия минерального питания растений. Радиобиологические эффекты растений и животных имеют ряд сходных реакций, таких, как наличие критических (наиболее радиочувствительных) клеток, тканей и органов, одинаковые типы хромосомных аберраций, потеря контроля над обменом веществ, образование соматических и генетических мутаций, трансформация клеток, радиационный канцерогенез (опухоли органов).

Реакции живых организмов на ядерное излучение весьма многообразны и определяются параметрами излучения и особенностями организма. Отношение организма к ионизирующему излучению характеризуется радиочувствительностью и радиоустойчивостью (радиорезистентностью). Эти два термина взаимосвязаны и с разных сторон отражают одно и то же явление - если организм обладает высокой радиочувствительностью, то он характеризуется низкой радиоустойчивостью, и наоборот.

Радиочувствительность - способность организма реагировать на малые дозы радиации, которая проявляется через нелетальные радиобиологические эффекты в организме. Радиоустойчивость - способность организма переносить высокие уровни облучения (летальные и полулетальные дозы). Чем меньше дозы, вызывающие нелетальные радиобиологические эффекты, тем выше радиочувствительность организма. Чем больше доза, вызывающая гибель организма, тем выше его радиоустойчивость.

Для характеристики радиочувствительности растений используются следующие критерии: лабораторная и полевая всхожесть, длинна корней у проростков, высота растений, число сформировавшихся органов, цветков и семян, масса растения, количество и масса семян на одном растении, выживаемость растений, а также выход хромосомных аберраций в мета- и анафазе.

Радиочувствительность оценивается летальной и полулетальной дозами. Летальная доза - ЛД₁₀₀ (или ЛД_100/30) - это минимальная доза облучения, вызывающая смерть 100% облученных организмов в течение 30 дней. Соответственно ей определяется полулетальная доза ЛД₅₀ (или ЛД_50/30) - минимальная доза облучения, вызывающая смерть 50% облученных организмов в течение 30 дней. Величины ЛД₅₀ в природе различаются довольно значительно даже в пределах одного вида.

Наиболее высокой радиочувствительностью среди растений обладают растения семейства лилейных. Самые радиоустойчивые растения относятся к семейству крестоцветных (табл.2).

Таблица 2

Радиочувствительность семян некоторых высших растений

В настоящее время имеются сведения о радиочувствительности более чем 2000 растений, принадлежащих к разным семействам, родам и видам. Однако радиочувствительность оценена у семян - стадии онтогенеза растения, в которой оно находится в состоянии глубокого вынужденного покоя и поэтому обладает высокой устойчивостью к ионизирующим излучениям и ко всем повреждающим факторам.

При прорастании семян их радиочувствительность возрастает в 15-20 раз, потому что прорастание сопровождается активным делением клеток, а делящиеся клетки более чувствительны к облучению, чем клетки, находящиеся в стадии покоя. Кроме этого обязательным условием для прорастания семян является наличие воды. Высокая обводненность объектов при облучении способствует гораздо большему выходу свободных радикалов (Н^о и ОН^о), что усиливает радиационное поражение.

В мире низших растений и организмов самой высокой радиоустойчивостью обладают микроорганизмы, грибы и лишайники. Некоторые виды микроорганизмов выдерживают облучение в дозах 10⁴ - 10⁵ Гр. Среди древесных растений менее радиоустойчивы хвойные породы. После аварии на ЧАЭС в хвойных лесах, находящихся в 30-километровой зоне от АЭС, наблюдался широкий спектр морфологических аномалий вегетативных и генеративных органов, частота появления и степень тяжести которых зависели от дозы облучения.

В определенном диапазоне доз (5-20 Гр) ядерные излучения обладают стимулирующим действием. Радиостимуляция обнаружена у всех биологических объектов, начиная с одноклеточных и кончая растениями и животными. Впервые эффект радиационной стимуляции был получен на растениях в 1898 году. Облучение семян вызывает активацию многих процессов обмена: усиливается синтез нуклеиновых кислот, белков, гормонов, повышается активность некоторых ферментов, изменяется проницаемость мембран, увеличивается поступление в растения питательных веществ и т.д. Одним из важнейших механизмов общего стимулирующего действия излучения является образование неспецифических веществ хиноидной природы, которым А.М. Кузин дал название триггер-эффекторы. Хиноны образуются из полифенолов в результате радиационно-химических реакций окисления и активации полифенолоксидаз. При облучении высокими дозами хиноны возникают в растительных объектах в больших концентрациях и оказывают угнетающее действие на их развитие. В малых концентрациях (10^-7-10^-8 М) эти вещества действуют как стимуляторы. Проникая в ядра клеток, они соединяются с гистонами и тем самым снимают неспецифическую блокаду генома этими белками, т.е. происходит дерепрессия (активация) определенной группы генов. Начинается усиленный синтез информационных РНК, белков, ферментов, фитогормонов, индуцирующих метаболические процессы. Это в свою очередь существенно сокращает фазы клеточного цикла на ранних стадиях развития. Стимулирующий эффект облучения обнаружен не только при облучении семян, но и при облучении клубней, луковиц, черенков, корневищ, усов. Повышенный уровень триггер-эффекторов вызывает дерепрессию (перевод в активное состояние) генома не только у клеток верхушечной точки роста, но и в боковых почках, что приводит к интенсивному росту и увеличению числа боковых побегов. Таким образом, образование неспецифических триггер-эффекторов хиноидной природы составляет один из важнейших механизмов общего стимулирующего действия излучения. Облучение семян различных культур стимулирующими дозами перед посевом приводит к повышению урожая на 10-25% и к улучшению его качества, т.е. к повышению содержания белка, сахара, крахмала, витаминов, аминокислот и других веществ, которые сформировались у растений различных видов в процессе эволюции. Стимуляция картофеля происходит при облучении клубней в дозах 0,5-5,0 Гр за 2-6 суток до посадки, при этом возрастает урожайность на 18-25% и увеличивается содержание крахмала на 15%. Гамма-облучение черенков или подвоя виноградной лозы увеличивает выход полноценных прививок на 11-34%. При этом отмечается интенсивное деление клеток в камбиальном слое на месте срастания подвоя с привоем, что способствует более быстрому срастанию тканей привоя с подвоем. Облучение может снимать тканевую несовместимость подвоя с привоем. Гамма-стимуляция применяется при выгонке зеленных культур, для ускорения развития и цветения луковичных и цветочных растений и при разведении редких и лекарственных растений.

Радиостимуляция у животных изучена меньше, чем у растений. По мнению ряда ученых механизм стимулирующего действия малых доз ионизирующих излучений на организм животных на молекулярно-биологическом уровне не может существенно отличаться от механизма действия на растения. Интенсивность процессов обмена веществ, ускорения развития, роста и повышение продуктивности животных осуществляются за счет активации стероидных гормонов, которые контролируют эти процессы. В условиях эксперимента радиостимуляция изучена на мышах и крысах. Радиостимуляционный эффект проявляется в повышении плодовитости в два раза, в ускорении роста и массы тела. Радиостимуляцию изучают в птицеводстве, скотоводстве, свиноводстве и звероводстве. Широкий радиостимуляционный эффект выявлен при облучении яиц, цыплят и кур несушек. При облучении куриных яиц перед закладкой в инкубатор дозой 0,03-0,05 Гр усиливалась интенсивность роста и развития эмбрионов, увеличивалась выводимость, выживаемость цыплят и повышалась яйценоскость кур. Стимулирующее действие выявлено при облучении цыплят бройлеров (при облучении дозой 0,25 Гр и 0,5 Гр масса цыплят возрастала на 12-15%) и кур-несушек (яйценоскость при облучении дозой 0,5 Гр возрастала на 10-18%). Механизм стимулирующего действия на яйценоскость кур и мясную продуктивность связывают с возникновением триггер-эффекторов (гонадолиберинов), которые воздействуют на гипофиз и стимулируют выработку стероидных половых гормонов, что ускоряет рост и развитие. Облучение ягнят тонкорунных овец в одно-, двух- и трехмесячном возрасте малыми дозами приводило к повышению живой массы, выживаемости, настригу, густоты и длины шерсти. При облучении суточных поросят дозами 0,1-0,25 Гр наблюдалось увеличение массы тела на 10-15% в первые три месяца жизни. Облучение такими же дозами норок и черно-бурых лисиц повышало выживаемость потомства, сопротивляемость его болезням, улучшало качество пушнины и длину шкурки. Таким образом, радиостимуляция общебиологическое явление, присущее многим организмам.

В настоящее время ионизирующие излучения широко используются для получения мутантных форм растений. Под влиянием ионизирующих излучений возникают хромосомные и генные (точковые) мутации. Хромосомные мутации вызывают летальный исход. Генные мутации являются источником мутантных форм как полезных, так и вредных для растений. Известно, что вся совокупность свойств, которые характерны для конкретного биологического вида, запрограммирована в ДНК в виде последовательного чередования нуклеотидов, т.е. в виде генетического кода. Облучение ДНК вызывает окисление пиримидиновых и распад пуриновых оснований. В процессе редупликации на поврежденной матрице возможна ошибочная репарация, т.е. замена пуриновых оснований пиримидиновыми и наоборот, что приводит к нарушению генетического кода и появлению генных мутаций. Выход мутаций с увеличением дозы возрастает, но вместе с этим увеличивается стерильность растений, подавляются ростовые и формообразовательные процессы. Используются дозы, при которых сохраняется способность растений формировать полноценные репродуктивные органы. Хозяйственно полезные мутанты, сочетающие высокую продуктивность с другими признаками, появляются, как правило, очень редко. Селекционно-ценные мутантные формы растений выделяются содержанием питательных веществ, скороспелостью, устойчивостью к болезням, устойчивостью к полеганию, повышенной продуктивностью и другими признаками. Мутантные формы используются в качестве донора полезного признака в селекции растений. В мировой селекционной практике наибольшее количество сортов с участием радиационных мутантов получено на ячмене (68), рисе (64), пшенице (31), арахисе (14) и фасоли (10).

Наибольший интерес в мире животных представляют млекопитающие. Известно, что млекопитающие (человек и животные) обладают наибольшей чувствительностью к облучению по сравнению с птицами, рыбами, земноводными и др. (табл.3). Причины разной радиочувствительности организмов пока неизвестны. Однако общая тенденция такова: начиная от зародыша до половозрелого состояния радиочувствительность организма и его органов постепенно понижается, в среднем возрасте стабилизируется и к старости вновь понижается.

Различие радиочувствительности проявляется также в органах, составляющих организм как целое. Клетки одного органа имеют неодинаковую радиочувствительность и способность к регенерации после лучевого повреждения. По радиочувствительности условно все органы и ткани можно разделить на три группы.

Таблица 3

Радиочувствительность живых организмов

К первой, наиболее чувствительной к излучениям группе, относятся костный мозг, половые железы, селезенка, лимфоидная ткань. Стволовые клетки этих тканей полностью погибают при дозе облучения 10 Гр. Морфологически регистрируемые изменения в них возникают при облучении дозой 0,25 Гр.

Ко второй, более резистентной к излучениям группе, относятся пищеварительный тракт, печень, органы дыхания, органы выделения, органы зрения, мышечная ткань. Клетки этих тканей выдерживают дозу облучения до 40 Гр.

К третьей группе относятся нервная ткань, кожные покровы, хрящевая и костная ткань, которые выдерживают дозу облучения до 80 - 100 Гр.

Наиболее радиочувствительные органы и системы называются критическими. С их поражением связана гибель организма в определенные сроки после облучения. Клетки критических органов имеют короткий жизненный цикл и высокие темпы обновления (за одну минуту отмирают и вновь образуются десятки и сотни тысяч клеток). Большую скорость обновления имеют кроветворная система и желудочно-кишечный тракт. Центральная нервная система состоит из высокодифференцированных клеток, которые после отмирания не восстанавливаются.

К кроветворным органам относятся костный мозг, лимфатическая ткань, селезенка, вилочковая железа (тимус). Нарушение процессов кроветворения в этих органах наступает очень рано - непосредственно в ходе лучевого воздействия, а дальнейшее развитие и проявление нарушений носят фазовый характер, что связано с разной радиочувствительностью клеток и с процессами восстановления в клетках.

Самый высокорадиочувствительный орган - костный мозг, при общем облучении он поражается в первую очередь. При внешнем облучении животных дозами ЛД_50/30 и выше прекращается митоз клеток, появляются дегенеративные формы некоторых видов клеток, в крови снижается количество эритроцитов. К ранним изменениям костного мозга при внешнем облучении относятся также уменьшение незрелых форм красной и белой фракции, тромбоцитов и увеличение гранулоцитов. Установлено, что костный мозг обладает достаточно большой способностью к регенерации (т. е. к восстановлению), которая при среднелетальных дозах наступает через 4-7 суток, и к концу 4-й недели картина костного мозга или структура крови становится близкой к нормальной. При летальных и сверхлетальных дозах радиации нормальное содержание клеток не восстанавливается и происходит аплазия костного мозга.

Радиационное воздействие на лимфотическую ткань приводит к раннему разрушению лимфобластов и лимфоцитов в самой ткани и лимфоцитов в периферической крови. Полулетальные и летальные дозы облучения вызывают нарушения структуры ткани, различные изменения лимфоузлов и других лимфоидных образований.

Облучение полулетальной дозой селезенки приводит к прекращению митоза и гибели части лимфоцитов. В результате разрушения клеточных элементов орган уменьшается в размере и массе.

Клетки вилочковой железы - тимоциты (лимфоциты) - погибают практически все в течение первых суток. Восстановление клеток до исходного уровня происходит за счет единичных неповрежденных клеток.

Характерной реакцией организма на лучевое воздействие является изменение количества лейкоцитов: в первые минуты и часы наблюдается незначительное уменьшение; через 6-8 часов - увеличение на 10-15% от исходного уровня; через 24 часа - резкое снижение от исходного уровня. Степень и фазность изменения количества лейкоцитов находятся в прямой зависимости от дозы, а также от вида животных. Время восстановления количества лейкоцитов до нормы составляет 2-3 месяца.

Облучение животных полулетальными дозами приводит к изменению количества эритроцитов. В первые сутки увеличиваются количество клеток и содержание гемоглобина в крови на 10-15%, затем на 15-20-е сутки содержание снижается в 2-3 и более раз от нормы. Параллельно с количественными нарушениями происходят морфологические и биохимические нарушения: увеличение размеров клеток, пикноз ядер и вакуолизация цитоплазмы, а также образуются двуядерные клетки и клетки аномальных форм. Эритроциты восстанавливаются до нормального количества за 2-5 месяцев.

По радиочувствительности тромбоциты занимают промежуточное положение между лейкоцитами и эритроцитами. Облучение дозой ЛД₅₀ приводит к резкому снижению количества тромбоцитов в первые сутки. Появляются клетки с различными аномалиями: двуядерные, с непропорциональными размерами ядра и цитоплазмы. В организме нарушаются такие процессы, как поглощение протромбина, свертываемость крови, рекальцификация плазмы и другие. Восстановление тромбоцитов наблюдается на 35-45 день после облучения.

Наиболее радиочувствительными клетками крови являются лимфоциты. Регистрируемое уменьшение содержания лимфоцитов отмечается при облучении дозой 0,6 Гр. При облучении дозой ЛД_50/30 наибольшее снижение наблюдается через 1-3 суток. Для этого периода характерны морфологические изменения клеток, нарушение соотношения малых форм, появление двуядерных клеток, зернистость и вакуолизация ядра и протоплазмы, изменение активности ферментов. Фазность изменения, характерная для лейкоцитов, у лимфоцитов отсутствует.

Наряду со значительными изменениями в структуре крови и кроветворных органах отмечаются структурные изменения стенок кровеносных сосудов, особенно капилляров. Это сопровождается различными кровоизлияниями (точечные и разлитые) и кровотечениями (наружные и внутренние).

Все органы пищеварения проявляют функциональные и морфо-логические реакции на облучение. По степени радиочувствительности они распределяются следующим образом: тонкий кишечник, слюнные железы, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень. Наибольшая чувствительность у железистого эпителия и эпителия ворсинок. Облучение приводит к прекращению деления и отмиранию клеток, к оголению клеток ворсинок и крипт, что сопровождается выходом плазмы крови в кишечник, а также приводит к снижению барьерно-иммунной функции кишечной стенки, в результате чего микрофлора кишечника попадает в организм и вызывает токсикоз и бактериемию. Лучевое поражение проявляется через тошноту, рвоту, понос. Большие дозы лучевого воздействия угнетают секрецию желудочных желез, что приводит к морфологическим изменениям - кровоизлияниям, катарам, язвам, рубцовым стенозам, свищам. Нормализуется функциональное состояние желудочно-кишечного тракта в разные сроки, доходящие до нескольких месяцев.

Половые железы млекопитающих реагируют на облучение в принципе однотипно. Основное видовое отличие - величина повреждающей дозы, которая тесно связана с видовой радио-чувствительностью организмов. При действии радиации на половые железы сильнее повреждается генеративная функция и менее нарушается их гормональная деятельность. Степень постлучевых изменений в половых железах зависит в основном от дозы и способа облучения. Половые клетки семенников по радиочувствительности располагаются в следующем убывающем порядке: спермиогонии, спермиоциты, спермиды, зрелые спермии. Гистологическое исследование выявляет многочисленные кровоизлияния в паренхиму железы, в просветах семенных канальцев - скопление некротических клеток, единичные измененные спермиогонии и спермиоциты. Сперматогенез восстанавливается за счет выживших спермиогоний через несколько месяцев, но при этом отмечается большое количество дефектных спермиев, а в паренхиме семенников - развитие склеротических процессов. У молодых неполовозрелых животных семенники и яичники более чувствительны к облучению, чем у половозрелых. По степени уменьшения радиочувствительности клетки функционирующего яичника располагаются в следующем порядке: ооциты II порядка в зрелых фолликулах, ооциты I порядка, зрелые яйцеклетки, эпителий вторичных и первичных фолликулов, желтое тело, покровный эпителий. Радиационное повреждение яичников одинаково у всех животных: вначале повреждаются и погибают наиболее радиочувствительные клетки, происходит деструкция эпителия, фиброзное разрастание соединительной ткани яичника, нарушение половых циклов, гормональные отклонения. Восстановление функций яичников идет очень медленно. Радиочувствительность ооцитов млекопитающих определяется морфологией стадии диплотены, т.е. конфигурацией хромосом в ядре. Ооциты с диффузным расположением хромосом более радиочувствительны (ооциты мышей, хомячков), чем ооциты с компактным расположением (ооциты собаки, человека).

Таким образом, внешнее облучение растений и млекопитающих приводит к формированию у них различных радиационных эффектов.

6. Биологическое действие инкорпорированных радионуклидов

Биологическое действие инкорпорированных радионуклидов, или радионуклидов, находящихся внутри организма, в принципе не отличается от действия внешних источников ионизирующего излучения. Независимо от того, где находятся радионуклиды, их ядра постоянно распадаются с выделением ионизирующего излучения, которое взаимодействует с атомами и молекулами веществ или клеток, что приводит к различным физическим и химическим реакциям и к формированию радиобиологических эффектов широкого спектра.

При проведении экспериментов радионуклиды вводятся в организм путем инъекций и с кормом. При радиоактивном загрязнении территории радионуклиды поступают в организм животных и человека через легкие при вдыхании загрязненного воздуха, через пищеварительный тракт с кормом и водой, через кожу, слизистые оболочки и раны. Длительное нахождение животных и человека на территории, загрязненной радионуклидами, приводит к хроническому внешнему и внутреннему облучению всего организма и его органов. При этом со временем наибольшую опасность представляет внутреннее облучение. Основное количество радионуклидов (до 95-99%) поступает в организм животных с кормом, в организм человека - с продуктами питания животного и растительного происхождения. Основным дозообразующим продуктом является молоко, а также лесные продукты питания.

Биологическое действие радионуклидов определяется физическими (вид и энергия излучения, доза, период полураспада) и биологическими (тип распределения в организме, путь и скорость выведения из организма) свойствами радионуклидов, а также видовой, возрастной и индивидуальной радиочувствительностью организма.

Специфичность действия инкорпорированных радионуклидов связана со следующими особенностями: неравномерное распределение в организме; концентрация в отдельных органах и тканях, которая вызывает их непрерывное облучение и облучение соседних органов и крови невысокими дозами; длительный период облучения тканей с возрастанием дозы во времени; способность переноситься с током крови, облучая при этом кровь и другие органы; большое разнообразие радиобиологических эффектов; специфические отдаленные последствия. Радиобиологические эффекты и отдаленные последствия в конечном итоге проявляются на организменном уровне в виде различных заболеваний органов и систем.

Хорошо изучено радиационное действие инкорпорированных радионуклидов при искусственном введении. Характер поражения и интенсивность его развития зависят в основном от дозы и длительности поступления в организм.

При поступлении радионуклидов с пищей (кормом) в организме одновременно происходят следующие процессы: всасывание из желудочно-кишечного тракта и поступление их в кровь, переход радионуклидов из крови в ткани и накопление в тканях, выведение из организма ранее и вновь поступивших радионуклидов. В начале поступления происходит интенсивная концентрация радионуклидов в органах и тканях. По мере накопления радионуклидов усиливаются процессы их выведения из организма до равновесного состояния, когда количество поступившего радионуклида будет равно количеству выводимого. Равновесие быстрее устанавливается в мышцах и позднее в скелете. Скорость выведения зависит от природы радионуклида, а также от вида, возраста, физиологического состояния животного и других факторов. Из организма наиболее быстро выводятся радионуклиды из тканей, где высокая скорость обмена веществ. На выведение влияет состояние радионуклидов в тканях (свободное или связанное) и тип ткани (мышечная, печеночная, костная). Из организма быстрее выводятся свободные радионуклиды - йод-131, рутений-106, теллур-132, цезий-137. Радионуклиды, связанные с тканевыми белками и находящиеся в коллоидном состоянии, такие, как лантан-140, церий-144, выводятся медленнее. Стронций-90, иттрий-90, барий-140 включаются непосредственно в костную ткань, замещая в ней кальций, поэтому выводятся очень медленно. Среди искусственных радионуклидов, появившихся в окружающей среде в результате антропогенной деятельности человека, наибольшую опасность для млекопитающих представляют йод-131, стронций-90 и цезий-137, которые при поступлении в организм включаются в процессы обмена веществ. Эффективный период полувыведения йода-131 составляет около 2-3 недель, цезия-137 - около 2-3 месяцев, а стронция-90 - до 3-х и более лет.

При попадании йода-131 в организм он полностью всасывается в кровь и около 60% его откладывается в щитовидной железе. Йод-131 накапливается в мышцах, печени, почках, яичниках. Токсическое действие йода-131 проявляется прежде всего в поражении щитовидной железы (разрушение ткани, различные опухоли, рак). Возникают существенные изменения в нервной (центральной и периферический отдел) и эндокринной системах, в кроветворных органах, а также в легких (бронхиты и пневмонии), печени (жировые перерождения), почках (морфологические и функциональные изменения), органах размножения, эндокринных железах и в других органах. Установлено, что структурные и функциональные изменения в органах могут быть связаны с нарушениями эндокринной регуляции, возникающими в результате поражения щитовидной железы, т.е. имеет место косвенное действие радиации, когда поражение одного органа, вырабатывающего гормоны, вызывает нарушения в деятельности других органов и систем.

Особенностью действия стронция-90 является то, что он неравномерно концентрируется в скелете, остается там длительное время, постоянно облучая ткани, поэтому в костной ткани и костном мозге происходят основные радиобиологические эффекты. В организме стронций-90 связывается с белками сыворотки крови (до 40%) и, являясь химическим аналогом кальция, входит в состав костной ткани. Высокая концентрация стронция-90 наблюдается в почках, печени, легких. Патологические процессы в скелете при поражении сторонцием-90 развиваются медленно, начиная с угнетения процессов остеогенеза, разрушения сосудов, изменения костного вещества, появления нетипичных костных образований и кончая возникновением злокачественных костных опухолей или сарком. Изменения в кроветворных органах и структуре крови наблюдаются в первые часы, сутки и в течение 3-5 лет после поступления сторонция-90 в организм. Серьезные морфологические и функциональные изменения происходят в желудочно-кишечном тракте, в функционировании сердечно-сосудистой системы, желез внутренней секреции - гипофиза, надпочечников, щитовидной, половых и др., а также в органах зрения и лимфоидных органах.

В органах и мышечной ткани около 90% поступившего цезия-137 находится в свободном состоянии, что обуславливает высокую скорость обмена и выведения его из организма. Цезий-137 концентрируется в мышцах и внутренних органах и сравнительно равномерно распределяется по организму. Биологическое действие цезия-137 изучено менее, чем стронция-90 и йода-131. Установлено, что поражающие эффекты цезия-137 менее значимы для организма, чем йода-131 и стронция-90. Нахождение этих трех радионуклидов в организме снижает иммунобиологические и защитные свойства организма и может вызывать развитие лучевой болезни, имеющей симптомы, наблюдаемые при общем внешнем облучении.

К настоящему времени доказано радиационное действие инкорпорированных радионуклидов матери или самки на развивающийся плод. Из организма матери радионуклиды переходят в плод через плаценту. Установлено, что чем больше массовое число нуклида, тем менее проницаема для него плацента. Закономерности распределения радионуклидов в организме плода подобны распределению в организме взрослых. При вскармливании потомства молоком радионуклиды поступают в значительно больших количествах, чем через плаценту, потому что концентрация их в молоке в несколько раз выше, чем в плазме крови матери. Например, в молоке коров концентрация стронция в 5-10 раз, а йода в 10-12 раз выше, чем в плазме крови. С молоком в большом количестве выделяются изотопы йода и цезия, а также тритий и калий-40. Радиационные синдромы эмбриона и плода изучены недостаточно. Отмечаются различные нарушения формирования, развития и функционирования всех систем, а также гибель плода в утробе матери, при рождении и после рождения.

Учеными Беларуси изучены изменения в органах животных, находящихся на территории радиоактивного загрязнения, где они подвергаются хроническому внешнему и внутреннему облучению малыми дозами радиации. Установлено, что нарушение функций и структуры щитовидной железы (атрофические, гипо- и гиперпластические, склеротические процессы и развитие опухолей) вызывает различные изменения в других органах и эндокринных железах. У животных наблюдалось увеличение и отечность лимфоузлов, селезенки, уменьшение количества лимфоцитов в крови и появление лимфоцитов с разрушенными ядрами. В большинстве внутренних органов обнаружены отеки, кровоизлияния, полнокровие сосудов, опухоли и специфические болезни. Например, в печени - ожирение, дистрофия, рост соединительной ткани; в легких - пневмония, атрофия лимфофолликулов; в почках - белковая дистрофия и некробиоз канальцевого эпителия; в поджелудочной железе - дистрофия и некроз эпителия; в желудке и кишечнике - различные нарушения эпителия слизистой оболочки и язвы; в яичниках - атрофия и гибель созревающих фолликулов и фиброз; в семенниках - уменьшение всех видов половых клеток, полное опустошение семенных канальцев. Это далеко неполный перечень нарушений, выявленных у животных. Кроме отклонений в органах установлены нарушения в структуре и функционировании всех жизненно важных систем.

В настоящее время имеет значение ряд нерешенных вопросов, таких, как действие разных радионуклидов и совместное их действие в ранние и отдаленные сроки, предельно допустимое поступление радионуклидов в организм, зависимость поражающего эффекта от дозы для ранних и отдаленных последствий, а также связь отдельных радиобиологических реакций с общественно-значимыми процессами: продолжительностью жизни, функциями воспроизводства, работоспособностью. Не установлен дозовый порог или минимальная доза, ниже которой облучение ионизирующим излучением не вызывает мутаций у животных и человека. Однако, определена доза, которая повышает частоту возникновения мутаций в два раза по сравнению с естественными мутациями. Удваивающая доза радиации для млекопитающих находится в пределах от 0,03 до 1,5 Гр.

7. Радиобиологические эффекты и отдаленные последствия облучения

Радиобиологические эффекты человека изучались при облучении персонала и населения в результате различных радиационных аварий. Последствия Чернобыльской аварии оцениваются по полученным и ожидаемым дозам. Ориентировочной дозой является годовая эффективная эквивалентная доза, которая в Республике Беларусь не должна превышать 1мЗв в год. В Беларуси около 2 млн. человек проживает в зонах радиоактивного загрязнения (1-40 Ки/км²), из них более 300 тыс. человек проживает на территории, где эта доза превышает 1мЗв в год. Доказано, что нарушения в состоянии здоровья зависят от полученной дозы, возраста, индивидуальных особенностей, концентрации радионуклидов в организме. Наиболее радиочувствительная часть населения - дети и беременные женщины. Медицинское обследование детей, подвергшихся облучению, через 10 лет после аварии выявило прогрессивный рост заболеваемости по всем классам хронических неспецифических болезней бронхолегочной, сердечно-сосудистой, пищеварительной, эндокринной и иммунной систем. Заболеваемость щитовидной железы с окончательным диагнозом рак возросла в 20 раз, эндокринной системы - в 4,5 раза, органов кроветворения - в 4 раза, органов дыхания - в 2,5 раза, органов зрения - в 1,6 раза, желудка - в 2,5 раза. Частота возникновения новообразований органов возросла в 2,4 раза. Анализ состояния здоровья беременных женщин показал, что с 1991 по 1994 год в 5 раз увеличилась анемия, в 3 раза возросла заболеваемость мочеполовой системы, патологии сердечно-сосудистой системы возросли в 1,8 раза, гормональные нарушения - в 6,3 раза, аномалии родовой деятельности и преждевременные роды - в 1,7 раза, в 2,2 раза увеличилась заболеваемость новорожденных детей, врожденные пороки развития возросли в 1,5 раза. Младенческая смертность, возросшая после 1986 года, начиная с 1992 года постепенно снижается.

У взрослого населения облучение дало широкий спектр различных нарушений морфологии и функционирования жизненно важных органов и систем. Установлены сходства и различия радиационного поражения животных и человека. Характерными реакциями организма человека на облучение являются образование злокачественных опухолей, лейкозы, болезни щитовидной железы. Наиболее часто злокачественные опухоли регистрируются в легких, желудке, молочной железе, почках, прямой кишке, матке и яичниках, щитовидной и поджелудочной железах, мочевом пузыре, гортани и на коже. Главные патологии у мужчин - опухоли органов пищеварения и дыхания, у женщин - опухоли органов пищеварения, молочной железы, матки и яичников. За 10 лет у мужчин злокачественные образования увеличились на 26,2%, у женщин - на 28,6%. Лейкозы и заболеваемость раком щитовидной железы возросли соответственно в 2-3 раза. Рост злокачественных новообразований в республике продолжается.

Повреждение генома половых клеток определяют по частоте хромосомных болезней, которые отражают частоту мутаций в клетках. Частота естественных (спонтанных) генетических мутаций в популяции человека составляет 10,65% (врожденные уродства, многофакторные нерегулярно наследуемые болезни и др.).

Оценку генетического риска и прогноз последствий действия радиации на человека проводят путем экстраполяции данных, полученных на животных. Наибольшее внимание заслуживают мутации, которые проходят через,,сито” мейоза и передаются по наследству из поколения в поколение. Эти генетические нарушения представляют наибольшую опасность для будущего человечества. К ним относят генные мутации, а из множества хромосомных аберраций - реципрокные транслокации. Реципрокные транслокации - это взаимные обмены участками негомологичных хромосом. Обмены полные или завершенные, поэтому количество генов не изменяется, а изменяется порядок чередования их в ДНК. Такие обмены не вызывают гибели клеток, передаются из поколения в поколение и проявляются в определенных условиях. Наличие мутаций выявляют на определенных локусах (участках) нескольких хромосом (чаще на 7 хромосомах). Генетические эффекты в половых клетках самцов оценивают на частоте индуцированных реципрокных транслокаций, доминантных летальных мутаций, рецессивных мутаций и по частоте аномальных головок спермиев. Генетические эффекты женских половых клеток изучены в меньшей степени. Установлена высокая способность ооцетов к репарации, ранняя гибель наиболее радиочувствительных и высоко коммуникабельных ооцетов. Частота генетических мутаций, по опытам некоторых исследователей, в ооцетах выше, чем в спермагониях, по опытам других - примерно одинакова. В опытах на мышах установлено, что с увеличением пострадиационного периода вероятность передачи потомству генетических нарушений у самцов не снижается, а у самок, начиная с 3-го помета после облучения, частота мутаций резко падает. Исследованиями радиационной генетики выявлен ряд закономерностей действия радиации на половые клетки млекопитающих: различная радиочувствительность стадий половых циклов и половых клеток, зависимость радиобиологических эффектов от дозы, мощности дозы и способа облучения, высокая радиочувствительность первичных половых клеток и всех половых клеток ранних периодов развития организма, сохранение мутаций в течение репродуктивного периода и передача мутационных изменений по наследству, а также возможность модификации (изменения) генетического эффекта. Причины различной радиочувствительности половых клеток окончательно не выявлены. Однако установлено, что генетическая радиочувствительность половых клеток не связана с радиочувствительностью этих клеток, определяемой по критерию выживаемости.

К настоящему времени доказано прямое влияние ионизирующего излучения на зародыш, плод и течение беременности. В период внутриутробного развития реакции на облучение и их последствия в сильной степени зависят от стадии развития, что объясняется разной радиочувствительностью тканей и систем. Выделяют 3 периода внутриутробного развития:

1) зародышевый (до имплантации);

2) период основного органогенеза;

3) плодный период.

У млекопитающих и человека наиболее радиочувствителен период основного органогенеза. Облучение в этот период вызывает различные уродства, аномалии развития и внутриутробную гибель. Облучение в эмбриональный период вызывает уродства органов и около 70-80% гибель зародышей. Радиочувствительность в плодный период значительно ниже, однако увеличивается процент смертности после рождения. У плода, облученного в этот период, часто развивается острая лучевая болезнь, в результате чего у новорожденного замедляется рост, развитие, отмечается анемия, лейкопения, кровоизлияния и другие патологии. Одна из главных причин гибели плодов и новорожденных - нарушение кроветворения.

Эмбрион обладает способностью к восстановлению, регенерации и перестройке. Эмбрион содержит активные фагоциты, которые поглощают и устраняют продукты клеточного распада и поврежденные клетки. Места удаления клеток заполняются неповрежденными первоначальными клетками, из которых дифференцируются нормальные органы и ткани. Такой зародыш имеет меньшую массу и уменьшенные отдельные органы. Отдельные клетки зародыша накапливают повреждения, которые могут проявляться через несколько лет после облучения у взрослого.

Период наибольшей радиочувствительности эмбриона человека растянут во времени. Он начинается с зачатия и заканчивается на 38 дне беременности. В этот период формируются зачатки всех органов, поэтому облучение вызывает различные аномалии в развитии зародыша в виде различных уродств всех органов. Облучение через 40 дней после зачатия уродств не вызывает.

Облучение беременных женщин при взрыве атомных бомб в Японии сопровождалось 50%-ной внутриутробной гибелью, гибелью при рождении и гибелью младенцев. Облучение в первой половине беременности вызывало рождение детей с задержкой роста, уменьшенными размерами органов, пороком сердца, нарушениями воспроизводительной системы, микроэнцефалией, с болезнью Дауна и другими отклонениями. Облучение во второй половине беременности сопровождалось снижением иммунинета и смертностью. У выживших детей в возрасте старше одного года в 25% случаев проявлялась умственная отсталость. Исследованиями американских ученых доказано, что прямое действие радиации на развитие плода составляет 95%. Опосредованное действие, т.е. через организм матери, составляет 5%. Изменения в зародыше возникают через 2 часа после облучения, т.е. раньше проявления лучевого синдрома у матери.

Общее облучение организма человека разными дозами приводит к развитию радиационных синдромов: костно-мозгового (1-10 Гр), желудочно-кишечного (10-100 Гр) и церебрального (более 100 Гр) в результате поражения органов и систем.

При воздействии разных доз облучения у людей могут наблюдаться следующие радиационные эффекты:

соматические (нестохастические) непосредственные телесные повреждения организма, возникающие вскоре после воздействия облучения;

соматико-стохастические последствия, которые выявляются на больших группах людей в более отдаленные периоды после облучения. Ими могут быть развитие опухолей разных органов и тканей, лейкозы, сокращение общей продолжительности жизни людей;

генетические проявляются в виде возникновения хромосомных аберраций, доминантных генных мутаций.

Соматические нестохастические эффекты проявляются в форме острой лучевой болезни, хронической лучевой болезни, местных радиационных поражений, а также лучевых поражений, которые вызываются инкорпорированными радионуклидами и комбинированными радиационными поражениями.

Острая лучевая болезнь (ОЛБ) - это общее заболевание организма, которое развивается после однократного или многократного облучения на протяжении небольшого промежутка времени (до 4 суток). Развитие ОЛБ отмечается после облучения всего организма гамма-излучением или потоком нейтронов в условиях военных конфликтов или в мирное время в результате радиационных аварий дозой 1 Гр и более. В зависимости от дозы облучения выделяют четыре степени тяжести острой лучевой болезни: легкую (1-2 Гр), средней тяжести (2-4 Гр), тяжелую (4-6 Гр) и крайне тяжелую (свыше 6 Гр). ОЛБ - циклическое заболевание, для которого характерны четыре периода течения болезни. Первый - первичная общая реакция на облучение. Второй (латентный) период - это период мнимого благополучия, при котором после первичной реакции в результате мобилизации всех резервов организма отмечается значительное улучшение состояния. Третий период характеризуется разгаром болезни, при котором проявляются многие клинические симптомы: кровоточивость тканей, снижение числа лейкоцитов, тромбоцитов, высокая температура, расстройство желудка и другие симптомы. Четвертый период - это период разрешения болезни, который заканчивается выздоровлением или смертельным исходом. Длительность периода составляет от 2-3-х недель (смертельный исход) до 3-4-х месяцев (выздоровление и реабилитация).

Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ) - это заболевание всего организма, которое развивается при длительном, многоразовом облучении людей малыми дозами. Первые признаки заболевания отмечаются при суммарном облучении в дозах 0,7 - 1,5 Гр и мощности излучения 0,001 -0,005 Гр в сутки. ХЛБ может возникать как в мирное время в условиях радиоактивного загрязнения территории, так и во время военных конфликтов при применении ядерного оружия. Для ХЛБ характерно постепенное развитие и продолжительный период нарастания нарушения функций организма. Обычно болезнь развивается через 3 - 5 лет от начала облучения, симптомы болезни прогрессируют постепенно.

Легкая степень ХЛБ отмечается у лиц с накопленной дозой облучения до 1,5 Гр. Симптомы: быстро наступающее утомление, головные боли, слабость, нарушение сна, снижение артериального давления. В крови отмечается снижение гемоглобина, уменьшение количества лейкоцитов и тромбоцитов. После длительного лечения (7 - 8 недель) может наступить полное выздоровление.

ХЛБ средней тяжести характеризуется усилением симптомов, характерных для ХЛБ легкой степени. Резко снижается работоспособность, появляются сердечные боли, значительно ухудшается состав крови, появляется кровоточивость десен и слизистой оболочки носа. Снижается сопротивляемость организма к инфекциям. Болезнь развивается при накопленной дозе до 2-2,5 Гр. При этом происходит длительная или полная потеря трудоспособности.

Третья, тяжелая степень ХЛБ, характеризуется тяжелым состоянием больных. Болезнь развивается при накопленной дозе облучения свыше 2,5 Гр. Заболевание часто заканчивается смертью по причине гематологических или инфекционных осложнений.

Изменения, которые возникают в организме под действием ионизирующих излучений через 5-20 и более лет, относятся к отдаленным последствиям. Особенностью заболеваний, относящихся к отдаленным последствиям, является то, что они возникают как после локального, так и после внутреннего и внешнего облучения, а также от факторов внешней среды и генетических факторов.

Различают неопухолевые и опухолевые формы отдаленных послед-ствий. К неопухолевым формам относятся три вида патологических процессов: гипопластические состояния, склеротические процессы и дисгормональные состояния.

Гипопластические состояния возникают при длительном накоплении достаточно высоких доз излучения (3-10 Гр) и развиваются в кроветворных органах, органах пищеварения, дыхания, коже и др. Они проявляются в виде анемии, лейкопии, атрофии слизистой оболочки желудка и кишечника, различных гастритов, атрофии половых желез и бесплодия. Эти болезни трудно поддаются лечению и плохо восстанавливаются. Склеротические процессы характеризуются обширным и ранним повреждением сосудистой сети облученных органов, развитием очаговых или диффузных разрастаний соединительной ткани на месте погибших паренхиматозных клеток, разнообразием восстановительных процессов с появлением полиплоидных клеток. Морфологически они проявляются такими процессами, как цирроз печени, нефросклероз, хронические лучевые дерматиты, атеросклероз, лучевые катаракты, некрозы костной ткани, поражения нервной системы и другими изменениями. Дисгормональные состояния проявляются в форме ожирения, поражения надпочечников и развития сосудистого нефросклероза, новообразований в паращитовидной, щитовидной и поджелудочной железах. У женщин развиваются кистозные изменения яичников, нарушения секреторной и гармональной функций, приводящие к сдвигам в половых циклах и изменениям в слизистой оболочке матки и молочных желез. Опухолевые формы отдаленных последствий чаще возникают при облучении инкорпорированными альфа- и бета-излучающими радионуклидами. Они обычно развиваются в критических органах, которые являются местами концентрации радионуклидов.

Радиобиологические эффекты, которые проявляются непосредственно у облученной особи, относят к стохастическим или соматическим эффектам. Эффекты возникают в результате мутаций и других нарушений в соматических клетках различных органов и тканей и проявляются в виде опухолей, лейкозов, сокращения продолжительности жизни и других болезней. Мутации, которые возникают в генах и хромосомах половых клеток и проявляются у потомков облученных особей, относят к генетическим эффектам. Доминантные генные мутации проявляются у потомков первого поколения. Рецессивные генные мутации передаются из поколения в поколение, проявляются первый раз только у правнуков в том случае, когда рецессивный ген имеется в половых клетках отца и матери. Генетическое действие ионизирующих излучений у млекопитающих выявляется только при облучении малыми и полулетальными дозами. Облучение высокими дозами радиации животных вызывает бесплодие или гибель, поэтому генетический эффект нельзя определить. К генетическим эффектам относят внутриутробную гибель плода, выкидыши, преждевременные роды, разнообразные уродства развития, несовместимые с жизнью. Следует отметить, что опасность генетических эффектов для сельскохозяйственных животных можно значительно снизить путем постоянно производимых отборов и подбора пар для спаривания. В природе повышенный радиационный фон рассматривается рядом ученых как дополнительный фактор, влияющий на темпы и формы эволюции диких животных, растений и других организмов. Здесь действует естественный отбор, который уничтожает наиболее радиочувствительные особи из популяции, в результате чего формируются более радиоустойчивые популяции. Генетические эффекты в популяции зависят от общего числа первоначально мутированных генов. Небольшая доза, полученная всей популяцией, вызывает большие генетические изменения, чем высокая доза, полученная частью популяции. При хроническом облучении популяции общее число мутаций непрерывно увеличивается до тех пор пока не наступит равновесие между скоростью возникновения новых мутаций и гибелью носителей мутаций до воспроизведения. Равновесие устанавливается после многих поколений.