Реакция организма на облучение
Лекция № 8
Тема: Действие ионизирующих излучений на ткани, органы и организм. Радиочувствительность тканей и органов
Как и клетки, так и ткани и органы имеют различную радиочувствительность. В одних тканях и органах уже сравнительно небольшие дозы проникающей радиации вызывают грубые функциональные и морфологические повреждения, в других такие же изменения наблюдаются только при подведении значительно больших доз. Те органы и системы, которые при облучении первыми выходят из строя, называются критическими. К таким органам и системам относятся красный костный, мозг, кишечник, центральная нервная система. Повреждение критических органов определяет клиническую картину при развитии патологических процессов в целостном организме.
Величина радиопатологического эффекта определяется рядом биологических факторов. Важнейшими из них являются объем и характер облучаемых тканей. Биологический ответ на воздействие усиливается по мере увеличения облучаемой площади и объема. Это связано с тем, что при увеличении объема возрастает поглощенная доза, от которой зависит радиационный эффект. Кроме того, имеет также значение, какая часть тела подвергается облучению, находятся ли критические органы в зоне облучения.
Например, у крыс половинная летальная доза (ЛД50) равняется 17Гр при облучении 65%объема тела (без живота); при облучении лишь живота (35% объема тела) ЛД50 не растет, несмотря на то, что объем меньше, а уменьшается до 9 Гр из-за наличия в облучаемом объеме кишечника. По убывающей радиочувствительности части тела можно расположить следующим образом: живот, голова, грудная клетка, область таза и конечности.
Эффект биологического действия радиации зависит также от физических факторов. Главным из них являются величина поглощенной дозы, распределение дозы во времени, мощность дозы, вид излучения.
Зависимость от дозы. Величина дозы определяет степень выраженности лучевых повреждений. Чем больше доза, тем значительнее повреждения. Так, однократное общее облучение собаки в дозе 5 Гр вызывает у нее острую лучевую болезнь тяжелой степени. Такое же облучение дозой в10 раз меньше (0,5 Гр) может привести лишь к временному снижению числа лимфоцитов и нейтрофилов в крови. Зависимость радиационного эффекта от дозы сохраняется до определенного предела, за которым увеличение дозы уже не наращивает тяжести патологических изменений, так как быстро наступает смерть, известная в радиобиологии как "смерть под лучом".
Фактор времени. Скорость подведения дозы имеет важное значение для биологического ответа, интенсивность которого растет с сокращением времени. Чем медленнее подводится доза, тем меньше патологические изменения. Например, смертельная доза однократного облучения для собаки 5-6 Гр, но если эту дозу разбить на отдельные порции (фракции) и облучать ими животное в течение нескольких месяцев, то смерть животного не наступит. В основе влияния времени на радиобиологический эффект лежат восстановительные процессы. Из экспериментальных данных вытекает, что время обусловливает восстановительные процессы, которые тем полнее, чем длиннее интервал между применением дробных доз.
Конечный эффект повторных доз называетсякуммулятивным действием, а доза, обуславливающая это действие – суммарной.
Зависимость от мощности дозы. Связь между мощностью дозы и величиной ответной биологической реакцией прямая. Чем больше мощность дозы, тем выраженнее повреждающее действие. В основе этого явления тоже лежат восстановительные процессы. Поскольку восстановление начинается сразу же после лучевого поражения, то различия в биологическом действии ионизирующих излучений при одинаковых поглощенных дозах, но разных мощностях объясняется возможностью более полного восстановления повреждений при облучении дозой малой мощности.
Зависимость от вида излучения. Облучение биологических объектов равными поглощенными дозами, но разными видами излучений приводит к различным по величине радиационным эффектам. Это свойство излучения называют его качеством, и оно определяется не физической природой лучей, а главным образом линейной передачей энергии (ЛПЭ).
Итак, совокупность этих биологических и физических факторов вызывает характерные реакции на лучевое поражение в различных органах и тканях.
Лучевые реакции и радиочувствительность отдельных органов итканей характеризуются большой вариабельностью и многообразием, обусловлены величиной дозы и условиями жизнедеятельности: степень кровоснабжения, уровень и особенности метаболизма и др. Непосредственным результатом лучевого поражения органов является патологическое отклонение в их деятельности. Большие дозы приводят к дегенеративно-дистрофическим процессам вплоть до некроза в тканях иорганах с последующим, замещением паренхимы соединительной тканью.
Таблица эффектов и доз
Кожа и ее производные. Кожа в целом представляет собой относительно радиочувствительную ткань, содержащую активно обновляющиеся клеточные системы. Временная эпиляция у человека происходит при общем облучении в дозах 4-5 Гр, при этом наблюдается разрушение сальных и потовых желез, нарушение их секреции. Стойкое облысение характерно для доз свыше 7 Гр. Максимальная однократная доза – 10 Гр рентгеновского излучения. При больших дозах – дерматиты, язвенные поражения.
Орган зрения.Наиболее уязвимой частью глаза является хрусталик. Погибшие клетки становятся непрозрачными, а разрастание помутневших участков приводит сначала к катаракте, а затем и к слепоте. Помутневшие участки могут образоваться при дозах облучения 2 Гр, а прогрессирующая катаракта – около 5 Гр. Наиболее опасным в плане развития катаракты является нейтронное облучение.
Эндокринная система. При остром лучевом поражении в начальный период усиление активности эндокринных желез (особенно надпочечников и передней доли гипофиза), изменение их клеточного состава и содержания секретируемых гормонов. Затем наблюдается глубокое угнетение их деятельности, развиваются дегенеративно-некротические и атрофические процессы.
Нарушения деятельности эндокринной системы приводят к патологическим изменениям регуляторных биохимических процессов, иммунологических и нейровегетативных реакций, извращению регуляции и деятельности многих органов и систем.
Половые железы относятся к наиболее радиочувствительным органам эндокринной системы. В них даже при облучении в небольших дозах наступает угнетение овогенеза и сперматогенеза.
Ионизирующая радиация вызывает у самцов стерилизацию, азооспермию, потерю способности к оплодотворению. Данные нарушения связаны с прекращением деления клеток и деструкцией сперматогенного эпителия. Наиболее радиочувствительными клетками в семенниках являются сперматогонии, затем сперматиды и сперматоциты и, наконец, зрелые сперматозоиды. При дозах выше 2-4 Гр – стерильность.
Регенерация сперматогенеза может наступать даже после высоких доз облучения.
Женские половые железы также обладают высокой чувствительностью к действию ионизирующей радиации. Наблюдаются нарушения менструального цикла, изменение течения беременности, преждевременные роды, мертворождение, генетические аномалии потомства. Морфологические изменения яичников в основном связаны с процессами дегенерации и деструкции яйцеклеток и фолликулов.
Яичники, в отличие от семенников, не обладают восстановительной способностью, поэтому у самок стерильность обычно необратима.
Сердечно-сосудистая система.В сосудах большей радиочувствительностью обладает наружный слой сосудистой стенки, что объясняется высоким содержанием коллагена – белка соединительной ткани, который обеспечивает выполнение стабилизирующей и опорной функций. Сердце считается радиорезистентным органом, однако при локальном облучении в дозах 5–10 Гр можно обнаружить лучевые повреждения сердца, которые проявляются в виде лучевого перикардита, описаны также лучевые некрозы миокарда. При дозе 20 Гр отмечается поражение эндокарда.
Органы дыхания. Долгое время считались радиорезистентными, однако такое мнение неоднозначно, так как хрящевая ткань воздухоносных путей и плевра радиорезистентны, а лимфатическая ткань и сосудистая система легких, а также бронхиолярный эпителий и клетки, выстилающие альвеолы – радичувствительны. Предполагают, что при высоких дозах ионизирующей радиации ведущим механизмом в лучевой патологии органов дыхания является разрушение капилляров с последующим склерозированием и образованием костной ткани. Поражение при дозе ЛД50 13 Гр.
При малых дозах ионизирующего излучения существенных изменений в эпителии не происходит.
Желудочно-кишечный тракт.Желудочно-кишечный синдром, приводящий к гибели при облучении дозами 10–100 Гр, обусловлен в основном радиочувствительностью тонкого кишечника. Далее по снижению радиочувствительности следуют полость рта, язык, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень.
Печень обладает высокой радиорезистентностью в связи со своей большой регенераторной способностью. Морфологические изменения в печени наиболее выражены по большей части на поздней стадии лучевого поражения и проявляются в расстройствах крово- и лимфообращения, в дегенеративно-некробиотических изменениях паренхимы и стромы, отеке и анемии органа. В связи с близким расположением к кишечнику, в печении накапливается кишечная микрофлора. Характерной биохимической патологией является накопление в печени продуктов перекисного окисления липидов, разрушающих мембраны клеток органа. На фоне данных многоплановых патологических изменений печени существенными являются нарушения ферментативного синтеза углеводного, липидного, белкового и нуклеинового обмена в ее ткани.
Почки.Типично стабильный орган, какие-либо существенные изменения в них происходят лишь при дозе несколько десятков Гр. При остром лучевом поражении отмечается нарушение проницаемости почечных клеток, появляется белок и отдельные клетки в просвете капсул клубочков. Наблюдаются кровоизлияния, жировая инфильтрация и некроз эпителия канальцев.
Мышечная и соединительная ткани. Еще более устойчивы к действию ионизирующей радиации, чем почки. Слабая мышечная атрофия наблюдается при дозах, превышающих 50 Гр, а выраженные морфологические изменения (геморрагия, некрозы) еще при более значительных дозах радиации. Соединительная ткань также радиорезистентна, выявлено, что ее проницаемость повышается спустя несколько дней после облучения животных в летальных дозах.
Костная и хрящевая ткани.Сформировавшиеся костная и хрящевая ткани взрослого организма достаточно радиорезистентны и могут быть отнесены к стабильным тканям. Однако в период роста они достаточно уязвимы. Наибольшая радиочувствительность скелетной ткани характерна для эмбрионального периода (38–85 сутки внутриутробного развития).
При острой лучевой болезни обнаруживается понижение количества остеобластов, аномальное набухание хрящевых клеток, они содержат вакуоли. Спустя неделю происходит полное разделение между хрящом и губчатой костью, в пластинках губчатой кости образуются мертвые остеоциты, исчезают остеобласты. Обычно через две недели после облучения столбики клеток и межклеточные мостики нарушаются, эпифиз утончается, рост в длину кости временно приостанавливается. Восстановление структурных нарушений костно –хрящевого аппарата происходит в течение двух месяцев. Подавление посттравматической регенерации костной ткани сохраняется обычно в течение многих месяцев после облучения животного.
Нервная система.Нервная ткань высоко специализирована и, следовательно, радиорезистентна. Гибель нервных клеток наблюдается при дозах облучения свыше 80 Гр.
Несмотря на то, что каждой ткани присуща определенная степень радиочувствительности, это понятие весьма относительное, т.к. в каждой ткани клетки находятся на разных стадиях развития, всегда присутствуют как зрелые, так и делящиеся клетки. Также на тканевую радиочувствительность большое влияние оказывают дополнительные факторы: кровоснабжение, объем облучаемых тканей, гомеостатический контроль регулирующих систем. Еще одним основанием противоречивости понятия тканевой радиочувствительности является то, что ткани, резистентные к непосредственному действию ионизирующих излучений, оказываются весьма уязвимыми в отношении отдаленных последствий.
Все выше перечисленные функциональные нарушения в тканях и органах, сопровождающиеся грубыми морфологическими изменениями, могут стать причиной гибели организма.
Реакция организма на облучение
Как известно, различные виды живых организмов существенно различаются по своей радиочувствительности. Выявлена общая закономерность: чем сложнее организм, тем он более чувствителен к действию радиации. По степени возрастания чувствительности к ионизирующим излучениям живые организмы располагаются в следующем порядке: вирусы → амеба → черви → кролик → крыса → мышь → обезьяна → собака → человек.
Особенности поражения организма в целом определяются двумя факторами: 1) радиочувствительностью тканей, органов и систем, непосредственно подвергающихся облучению; 2) поглощенной дозой излучения и ее распределением во времени.
Существуют понятия индивидуальной, видовой, половой (самки обычно менее чувствительны к радиации) и возрастной радиочувствительности организма.
В ответных реакциях организма можно выделить три последовательно развивающиеся во времени стадии: физические реакции, биофизические процессы и общебиологические изменения.
При облучении страдают все органы и ткани, но ведущим для организма является поражение одного или нескольких критических органов. В первую очередь повреждается красный костный мозг, затем кишечник и ЦНС. В зависимости от критического органа выделяют три радиационых синдрома: кроветворный, желудочно-кишечный и церебральный радиационные синдромы.
Кроветворный синдром развивается последовательно в зависимости от дозы. Вначале наблюдается угнетение митозов, то есть возможностей размножения материнских клеток. Затем развивается ядерные поражения в кроветворных клетках. Следствием этого является процесс опустошения костного мозга, который происходит в самые ранние сроки после облучения. Он состоит в резком торможении клеточного деления при продолжающемся с неизменной скоростью выходе зрелых элементов в кровь. Хотя циркулирующие клетки крови будут погибать с нормальной скоростью, в костном мозге не будут образовываться новые клетки – обновляющая система перестанет функционировать. Поскольку гранулоциты являются самыми короткоживущими из всех циркулирующих клеток крови, их число достигает низкого уровня уже через 2-3 суток после облучения. Быстрое уменьшение числа лимфоцитов является результатом прямого действия излучения на зрелые клетки, которые особенно радиочувствительны, и это не связано с гибелью клеток-предшественниц. Подобные нарушения в кроветворной системе наблюдаются при общем облучении в дозах до 10 Гр. В дальнейшем наступает костномозговая гипоплазия, а при больших дозах аплазия костного мезга с жировым перерождением.
Радиочувствительность кишечника колеблется в зависимости от сегмента в следующем порядке: тонкая кишка, ободочная кишка, прямая кишка. Наиболее чувствительна тонкая кишка – орган, занимающий важное место в патогенезе лучевой болезни. В свою очередь отдельные сегменты тонкой кишки имеют тоже различную радиочувствительность. Так, двенадцатиперстная кишка чувствительнее тощей, а последняя чувствительнее подвздошной. Радиационное поражение тонкой кишки характеризуется опустошением ворсинок и крипт вследствие гибели клеток наблюдаются микрогеморрагии на фоне расширения капилляров, уменьшение количества лимфоидных элементов.
Поражение клеточного эпителия делает возможным выход бактериальной флоры за кишечный барьер, вызывая септическое состояние, развитию которого способствует радиационное угнетение иммунитета. Резко нарушается пищеварительный процесс и баланс жидкостей и электролитов, усиливается перистальтика кишечника, наблюдается диарея (при дозах свыше 10 Гр).
Ответная реакция ЦНС на облучение отличается от реакций костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь. Это связано с тем, что, зрелая нервная ткань представляет собой систему из непролиферирующих высокодифференцированных клеток, имеющих низкую радиочувствительность. Радиационная гибель нервных клеток наступает при больших дозах, порядка сотен Гр, причем до сих пор не установлено, является ли причиной гибели их непосредственное повреждение или она вызвана косвенно через повреждение кровеносных сосудов. Церебральный радиационный синдром развивается при дозах свыше 80 Гр и сопровождается потерей сознания, коллапсом и судорогами.
Проявлением радиационной реакции на уровне организма является острая лучевая болезнь, возникающая после общего однократного облучения.