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 альфаи 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.

К отдаленным последствиям облучения человека в настоящее время относят злокачественные опухоли, лейкозы, катаракту (помутнение хрусталика, вызывающее слепоту), нарушение эндокринного равновесия, нарушение эмбрионального развития, стерильность, ускорение старения, сокращение продолжительности жизни.

Механизмы отдаленных последствий облучения не изучены. На клеточном уровне основу отдаленных патологий составляют три типа нарушений, которые возникают в результате непосредственного действия радиации: клеточная гибель, накопление наследственных нарушений в половых клетках, накопление повреждений в соматических клетках.