Радиобиология как предмет. История радиобиологии. Радиочувствительность. Физические основы действия излучений на биологические объекты. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений. Молекулярные аспекты биологического действия ионизирующих излучений. Проявления лучевого поражения на уровне клетки. Факторы, определяющие выживаемость клеток после облучения. Модификация радиочувствительности. Кислородный эффект. ОБЭ ионизирующих излучений. Механизм действия ИИ. Радиочувствительность тканей, органов, организма. Детерминированные эффекты. Процессы восстановления в облученном организме. Лучевая болезнь человека. Биологическое действие инкорпорированных радиоактивных веществ. Опосредованные эффекты облучения. Отдалённые последствия облучения. Последствия облучения эмбриона и плода. Фармакохимическая противолучевая защита организма. Радиобиологические основы лечебного применения ионизирующих излучений. Источники облучения человека. Медицинские последствия радиационных аварий. Регламентация облучения человека.

Радиочувствительность тканей, органов, организма Закономерности поражения организма определяются двумя факторами: радиочувствительностью отдельных тканей, органов и систем, в том числе и критических, ответственных за выживание организма; величиной поглощенной дозы излучения и ее распределением в облучаемом объеме и во времени. При переходе от изолированной клетки к ткани, органу и организму все проявления радиационных эффектов усложняются. Это происходит потому, что не все клетки поражаются в равной степени, а тканевой эффект не равен сумме клеточных эффектов; следовательно, ткани, а тем более органы и системы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток.

Радиочувствительность тканей, органов, организма Наилучшее понимание основных проявлений лучевого поражения организма может быть достигнуто сопоставлением их с поглощенной дозой в так называемых «критических органах». Под критическими органами понимают жизненно важные органы или системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз излучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения.

Радиационные синдромы 1. Доза 10 Гр. Срок жизни несколько недель – несколько дней 2. Доза Гр. Плато. Срок жизни не меняется несколько недель – несколько дней 3. Доза Гр. Срок жизни несколько дней – несколько часов Еще в 40-х годах прошлого столетия исследованиями Б. Раевского и Г. Квастлера было обнаружено, что в определенных диапазонах, несмотря на увеличение дозы, средние сроки гибели мышей не меняются. Соответствующая кривая, описывающая зависимость средней продолжительности жизни мышей от дозы излучения, состоит из трех участков:

Радиационные синдромы

Костномозговой (кроветворный) радиационный синдром Желудочно-кишечный радиационный синдром Церебральный радиационный синдром

Радиочувствительность тканей, органов, организма

Радиационные синдромы

Радиочувствительность тканей, органов, организма Взрослый организм постоянно находится в состоянии строго сбалансированного клеточного самообновления, происходящего непрерывно в ряде его жизненно важных систем. Ежеминутно в каждой из них отмирают десятки и сотни тысяч «отслуживших» клеток, заменяясь новыми, заведомо готовыми «пожертвовать» собой через строго определенный срок и так до конца жизни организма. Такое устойчивое равновесие в системах клеточного самообновления, являющееся необходимым условием надежности поддержания жизнеспособности организма, получило название клеточного гомеостаза.

Костный мозг

Кроветворение

Модель системы клеточного обновления

Под воздействием излучения в любой клеточной системе обновления происходят резкие нарушения динамического равновесия между отдельными пулами, приводящие к тяжелым функциональным расстройствам в самой системе, а в зависимости от ее значения для жизнедеятельности и к соответствующим последствиям в организме. Качественное представление о механизме этих нарушений следует из анализа реакций облученных клеток: 1. Временное прекращение деления всех клеток независимо от того, какая из них выживет в последующем. 2. Гибель молодых, малодифференцированных и делящихся клеток. 3. Минимальные изменения продолжительности процесса клеточного созревания, а также времени жизни большинства зрелых клеток и скорости притока их в функциональный пул.

Эффекты, возникающие в системе клеточного обновления вследствие внезапного опустошения самых ранних пролиферирующих компонентов в результате облучения (по В. Бонду и др., 1971)

При облучении в дозах до 10 Гр в организме развивается типичный костномозговой синдром. Основная причина катастрофического опустошения костного мозга, происходящего в самые ранние сроки после облучения, состоит в резком торможении процессов клеточного деления при продолжающемся с неизменной скоростью поступлении зрелых элементов на периферию.

Изменения в желудочно-кишечном тракте При анализе желудочно-кишечного синдрома следует иметь в виду, что у млекопитающих наиболее важные изменения после облучения происходят в тонком кишечнике. При этом наблюдается клеточное опустошение ворсинок и крипт кишечника. Протекающие здесь клеточно-кинетические процессы аналогичны рассмотренным для системы обновления костного мозга, но с другими количественными характеристиками, которые определяются параметрами, присущими нормальным клеточным популяциям кишечника того или иного вида животных. Кишечный синдром включает такие определяющие летальный исход механизмы, как: оголение ворсинок инфекционные процессы поражение кровеносных сосудов нарушение баланса жидкостей и электролитов. Определить, какой из этих механизмов наиболее существен, трудно. Пример со стерильными животными свидетельствует о наличии тесной взаимосвязи между отдельными критическими системами клеточного обновления и, в частности, о большой роли миелопоэза в течении и исходе желудочно-кишечного синдрома.

Изменения в ЦНС Ответ ЦНС на облучение принципиально отличается от реакций костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь. Это явление обусловлено тем, что зрелая нервная ткань непролиферирующая система, состоящая из высокодифференцированных клеток, замещение которых в течение жизни не происходит. Гибель клеток, приводящая к церебральному синдрому, происходит при огромных дозах, порядка сотен Грэй, причем до сих пор не выяснено, является ли причиной гибели нервных клеток их непосредственное повреждение или она вызвана опосредованно повреждениями других систем, прежде всего кровеносных сосудов.

Радиочувствительность отдельных тканей Кожа Кожа активно обновляющиеся, а потому весьма радиочувствительные клеточные системы. Стволовые клетки эпидермиса хорошо восстанавливают сублетальные повреждения (Dq для этих клеток ~ 5 Гр, в то время как для кроветворных клеток -0,5 Гр). Принято считать, что максимально переносимая кожей доза рентгеновского излучения при однократном внешнем воздействии составляет 10 Гр. При больших дозах возникают дерматиты, а затем и язвенные поражения.

Радиочувствительность отдельных тканей Семенники и яичники Источником самообновления зародышевых клеток при сперматогенезе служит размножение сперматогониев. Одни из них (тип Б), по аналогии со стволовыми клетками костного мозга, путем ряда последовательных актов деления и созревания служат родоначальниками функциональных клеток сперматозоидов, другие (тип А) источником новых («стволовых») сперматогониев.

Радиочувствительность отдельных тканей Семенники и яичники Вследствие крайне высокой радиочувствительности половых клеток на ранних стадиях развития уже при дозах 0,51 Гр у большинства животных происходит массивное клеточное опустошение семенников, а выше 24 Гр наступает стерильность. Зрелые клетки сперматозоиды, напротив, крайне радиорезистентные. В опытах на мышах, крысах и кроликах показано, что число сперматозоидов, их морфология, подвижность и способность к оплодотворению не меняются после облучения при дозах до 10 Гр. Поэтому плодовитость облученных млекопитающих сохраняется до тех пор, пока не истощится запас жизнеспособных зрелых половых клеток (по аналогии с костным мозгом и кишечником). Но и после этого наступающая стерильность носит временный характер, так как происходит постепенное восстановление сперматогенеза из сохранившихся жизнеспособных сперматогониев.

Радиочувствительность отдельных тканей Семенники и яичники Физиологическая регенерация в половых органах самок млекопитающих проявляется в основном не в смене отдельных клеток, а в циклически повторяющихся процессах развития, регулируемых эндокринным аппаратом, и охватывающих целые клеточные комплексы. В процессе развития того или иного фолликула происходит созревание женских половых клеток от оогоний до ооцита. Наиболее радиочувствительный элемент яичника яйцеклетка. Стерильность самок возникает при больших дозах, чем у самцов (у мышей при 25 Гр, у крыс при 1520 Гр), но, как правило, необратимо. Это связывают с тем, что образование женских половых клеток заканчивается в ранние сроки после рождения и у взрослых яичники не способны к активной регенерации. Поэтому если облучение вызвало гибель всех потенциальных яйцеклеток, то плодовитость утрачивается необратимо.

Радиочувствительность отдельных тканей Органы зрения Известны два типа поражения глаз воспалительные процессы в конъюнктиве и склере при дозах, близких к вызывающим поражение кожи, и катаракта при дозах 310 Гр, в зависимости от вида животных. Катарактогенная доза для человека составляет около 6 Гр. Особенно опасны в этом отношении нейтроны, эффективность которых в 39 раз выше, чем гамма- излучения. Причины образования катаракты полностью не выяснены. Наиболее убедительна точка зрения о ведущем значении первичного поражения ростовой зоны хрусталика

Радиочувствительность отдельных тканей Органы пищеварения Наиболее радио чувствителен тонкий кишечник (1), поражение которого и обусловливает кишечный синдром. Далее по убыванию радиочувствительности следуют: полость рта (2), язык (3), слюнные железы (4), пищевод (5), желудок (6), прямая и ободочная кишки (7), поджелудочная железа (8) и печень (8). Самый радиорезистентныей орган печень; у взрослых особей печень относится к наиболее «стабильным». Непосредственных морфологических изменений в клетках интактной печени взрослых крыс не удается обнаружить при дозах локального однократного облучения до 15 Гр , 3,

Сердечно-сосудистая система Радиочувствительность отдельных тканей К настоящему времени достаточно полно изучена лучевая эритема кожи, возникающая вследствие повреждений кожных кровеносных сосудов, которым не свойственна физиологическая регенерация. Как показали специальные исследования, наиболее радиочувствительным является наружный слой сосудистой стенки, что объясняют относительно высоким содержанием в нем коллагена, подверженного радиационному перерождению. Через 45 мес после облучения некоторые сосуды оказались полностью лишенными наружной стенки. Кроме того, в коже мышей уже при дозах 4 15 Гр снижалась последующая реваскуляризация из-за уменьшения способности эндотелия облученных участков к образованию новых капилляров. По всем параметрам радиочувствительность эндотелия близка к показателям эпителиальных клеток или клеток межуточной ткани D = 3,4 Гр

Сердечно-сосудистая система Радиочувствительность отдельных тканей Были обнаружены непосредственные и отдаленные изменения миокарда после локального облучения в дозах 510 Гр. Происходит нарушение микроциркуляции вследствие облитерации капилляров, с развитием миокардилфиброза. Имеется значительная радиочувствительность эндотелия эндокарда, повреждение которого приводит к образованию внутрижелудочковых тромбов, обнаруживаемых через полгода после локального облучения (20 Гр) области сердца мышей.

Органы дыхания Радиочувствительность отдельных тканей Легкие взрослых стабильный орган с крайне низкой пролиферативной активностью в капиллярной системе; последствия облучения легких проявляются не сразу. После облучения грудной клетки мышей в достаточно больших дозах они погибают от пневмонитов через сут. Тщательные гистологические исследования выявили начальные изменения при дозах 20 Гр, наступающие через 3 мес после облучения. Такая задержка в проявлении повреждений связана со слабым клеточным обновлением в легочных капиллярах. Поражение легочной ткани часто лимитирует лучевую терапию.

Выделительная система Радиочувствительность отдельных тканей Почки достаточно резистентны к действию излучения. В экспериментах на животных разных видов при местном и общем облучении морфологические и функциональные нарушения наблюдались только при дозах в несколько десятков грей. Однако повреждение почек является лимитирующим фактором при облучении опухолей брюшной полости в процессе лучевой терапии. Как отмечает М. Тюбиана, облучение обеих почек при дозе, большей 30 Гр за 5 нед, может вызвать необратимый хронический нефрит, способный привести к смертельному исходу. Экспериментальных сообщений относительно радиационных поражений мочеточников, мочевого пузыря и мочеиспускательного канала известно мало, тем не менее, радиационные циститы довольно часто осложняют лучевую терапию рака.

Кости и сухожилия Радиочувствительность отдельных тканей В период роста кости и хрящи весьма радиочувствительны, а во взрослом состоянии они становятся значительно резистентнее. В качестве примера лучевого поражения костей можно указать на образование остеонекроза, а также возникновение спонтанных переломов в зоне облучения. Несмотря на отсутствие видимых радиационных повреждений кости, они отчетливо выявляются замедлением заживления переломов, вплоть до образования ложных суставов.

Мышцы Радиочувствительность отдельных тканей Мышцы высокорадиорезистентныее ткани организма. Еще по данным К. Клемедсона и А. Нельсона в ранних экспериментальных работах 50-х годов прошлого столетия слабая мышечная атрофия наблюдалась лишь при дозах 60 Гр, а микроскопические и гистологические изменения мышечной ткани возникали после Гр (через 24 ч геморрагии, через 72 ч некроз).

Нервная система Радиочувствительность отдельных тканей Имеется значительная радиорезистентность тканей ЦНС. Лучевые реакции нервной ткани головного мозга животных и человека количественно охарактеризованы лишь в последние десятилетия прошлого столетия, когда начали применять заряженные частицы высоких энергий для радиационного удаления гипофиза при лечении злокачественных опухолей молочной железы. Согласно данным Е.И. Минаковой (1979), на 45-е сут после однократного облучения полушарий головного мозга крыс (стволовой части и обонятельных луковиц) 3-мм. пучком протонов с энергией 200 МэВ при дозе 200 Гр развивались очаговые неврологические симптомы: парезы конечностей, нарушение чувствительности

Основные эффекты облучения человека