Биологические аспекты действия ионизирующих излучений на организмы

Ознакомившись с такими основами общей радиобиологии, как процессы, происходящие в результате облучения в разнообразных системах клеток, и с радиомодификацией этих процессов, мы перейдем к рассмотрению последствий воздействия излучений на организмы млекопитающих (высшие организмы). При этом следует помнить о невозможности прямой экстраполяции сюда клеточных данных в связи с особенностями лучевых реакций целостного организма.

Следующие положения мы будем использовать для дальнейших рассмотрений:

• 1) критической мишенью радиационного поражения клетки является ДНК;
• 2) благодаря ферментативной репарации ДНК в определенном диапазоне доз радиационные поражения клетки могут быть обратимыми;
• 3) радиационное повреждение клетки может быть как ослаблено, так и усилено с помощью различных модифицирующих агентов;
• 4) доза излучения определяет интенсивность проявления радиобиологических эффектов. Обычно с ростом дозы поражение усиливается;
• 5) тяжесть последствий облучения при фиксированной дозе уменьшается при пролонгировании радиационного воздействия во времени благодаря более полной реализации восстановительных процессов.

Когда мы обращаемся к высшим организмам, то видим, что клетки организованы в ткани и органы со специальными функциями, такими как производство и хранение энергии, мышечная активность для движения, переваривание пищи и выделение отходов, а также снабжение кислородом. Координацию этих видов активности тела организм осуществляет посредством нервной и эндокринной систем. Здесь мы сталкиваемся с многообразием тканевых и системных реакций, проявляющихся непосредственно и вскоре после облучения, а также в отдаленный период. Происходящие при этом процессы определяются условиями радиационного воздействия: видом излучения, величиной дозы и распределением ее во времени и в облучаемом объеме; возрастом и физиологическим состоянием организма и возможным влиянием факторов внешней среды.

Итак, два обстоятельства оказываются теперь особенно важными. Во-первых, ткани или органы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток. Ситуация такая же, как и в экологии, где экосистема не является просто суммой множества отдельных биотических и абиотических компонент. Став системой, то, что мы рассматриваем, характеризуется уже и новыми — эмерджентными свойствами.

Во-вторых, если мы имеем дело с общим облучением организма, то все его участки оказываются подверженными радиационному воздействию. Это определяет и своеобразие, и многообразие форм последствий облучения. Таким образом проявляется особенность ионизирующих излучений, не присущая ни одному другому агенту внешней среды, — их проникающая способность.

Рассматривая последствия облучения организмов, мы не можем, конечно, забывать о его клетках. Однако клетки, находясь в составе ткани, в значительной мере зависимы и друг от друга, и от окружающей среды. Митотическая активность, степень дифференциации, уровень и особенности метаболизма, а также другие физиологические параметры отдельных клеток не безразличны для их непосредственных соседей, а следовательно, и для всей популяции в целом. На судьбу клеток оказывают теперь большое влияние регулирующие системы, поддерживающие состояние гомеостаза в организме. Те же процессы играют важную роль в реализации тканевых и системных реакций на облучение. Кроме того, на тканевую радиочувствительность оказывают большое влияние и другие факторы, например, степень кровоснабжения и величина облучаемого объема.

Поскольку радиочувствительность ткани нужно рассматривать с учетом морфо-физиологических факторов всего клеточного окружения, двумя факторами, оказывающими наибольшее влияние на поражение организма являются:

• 1) радиочувствительность отдельных тканей, органов и систем (в первую очередь критических^[1] — ответственных за выживание организма);
• 2) величина поглощенной дозы излучения и ее распределение в облучаемом объеме и во времени.

Классическим примером радиационного поражения организма животных и человека является острая лучевая болезнь, возникающая после однократного внешнего равномерного облучения. В этом случае для понимания основных проявлений последствий облучения организма нужно сопоставить их с поглощенной дозой в критических органах. Между величиной поглощенной дозы в организме и средней продолжительностью жизни обнаруживается зависимость, определяемая различиями в радиочувствительности критических органов или систем.

В середине прошлого столетия был обнаружен ступенчатый характер зависимости средней продолжительности жизни мышей от дозы излучения. Такая зависимость свидетельствует о существовании трех основных радиационных синдромов¹ — костномозгового^[2][3] (кроветворного), желудочно-кишечного и церебрального, развивающихся вследствие поражения и выхода из строя соответствующих критических систем организма — кроветворной, кишечника и ЦНС. Такого рода ступенчатый характер отмирания, связанный с выходом из строя критических систем, был обнаружен затем и для млекопитающих других видов.

Эта зависимость времени наступления гибели самых разных систем разных организмов от дозы, отражающая многообразность реакций на облучение, — общебиологическая закономерность. Различие между дозами, начинающими вызывать определенные формы гибели, указывает на разницу в радиочувствительности отдельных систем по критерию поражения, несовместимого с жизнью. Экспериментальные данные, полученные на животных, свидетельствуют о том, что регистрируемое несовместимое с жизнью повреждение той или иной системы наступает по достижении определенного уровня поражения, т. е. имеет пороговый характер. Аналогичная зависимость средней продолжительности жизни от дозы излучения обнаружена и для человека^[4].

Если мы говорим о радиочувствительности организма, то она обычно определяется поражением костного мозга, так как критической системой, ответственной за выживание при дозах до 10 Гр, является кроветворение. Пороговую зависимость проявлений отдельных синдромов от дозы излучения можно объяснить, рассматривая кинетику клеточных популяций соответствующих критических систем.

Состояние устойчивого динамического равновесия любой клеточной популяции в живом организме, необходимое для нормальной жизнедеятельности, поддерживается системами клеточного обновления; любая потеря клеток вследствие их гибели или миграции в таких системах количественно восполняется возникновением новых клеток, что обеспечивает сохранность функционирования системы. Клетки каждого типа имеют свойственную им продолжительность жизненного цикла и соответственно различаются темпом их обновления.

Таким образом, взрослый организм постоянно находится в состоянии 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.

Применительно к рассмотренным выше основным радиационным синдромам две из таких самообновляющихся систем (в основном определяющие выживание или гибель облучаемого организма) — кроветворная и желудочно-кишечная — характеризуются большой скоростью клеточного обновления. Клеточными детерминантами, определяющими степень радиационного поражения обеих критических самообновляющихся систем, являются стволовые клетки костного мозга и кишечника, идентифицируемые с колониеобразующими единицами.

В третьей — ЦНС — у половозрелых животных и взрослого человека клеточного обновления практически не происходит. Если костный мозг и кишечник — типичные примеры активно пролиферирующих (быстро размножающихся) радиочувствительных систем клеточного обновления, то ЦНС, напротив, — пример наименее делящихся (стационарных) радиорезистентных органов.

Пока основное внимание было уделено крайним случаям клинического проявления радиационных эффектов — летальным эффектам. В познавательном отношении это совершенно верно, так как именно в этих случаях четко выражена связь непосредственных лучевых реакций с выходом из строя тех или иных критических систем вследствие их клеточного истощения. Такой подход таит в себе и опасность. Дело в том, что на практике воздействия, приводящие к таким последствиям, возможны только при авариях и в местах такого сильного техногенного воздействия, где говорить об экологических проблемах просто не приходится.

• [1] Критические органы — жизненно важные органы или системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз излучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения.
• [2] Синдром — закономерное сочетание симптомов, обусловленное единым патогенезом; рассматривается как самостоятельное заболевание или как стадия (форма) каких-либо заболеваний. Симптом — признак какой-либо болезни. Патогенез — механизмразвития заболевания и патологических процессов.
• [3] Если в экспериментах по облучению экранировать небольшой сегмент активного костного мозга или пересадить смертельно облученным животным костный мозгинтактных доноров, то можно полностью предотвратить или снизить процент гибелипри дозах до 10 Гр. Таким образом, гибель животных в этом диапазоне доз излученияпреимущественно вызвана поражением систем кроветворения.
• [4] Основываясь на клинической картине поражения, в случае человека говорято трех патогенетических механизмах, приводящих организм к гибели. При дозах излучения, когда средняя продолжительность жизни —40 сут, на первый план выступаетнарушение гемопоэза; при больших дозах (продолжительность жизни 10—20 суток) ведущими становятся проявления поражения кишечника, а при еще больших (> 20 Гр;продолжительность жизни 1—5 суток) развиваются церебральные симптомы.