Повреждающее действие ионизирующих излучений

 

Ионизирующее излучение. Общая характеристика его повреждающего действия

В процессе своей жизни человек подвергается воздействию ионизирующего излучения /ИИ/ как от естественных источников / космическое облучение, радионуклиды, находящиеся в земной коре, воде, атмосфере /, так и от искусственных /техногенных/. Естественная радиация сопровождает жизнь на земле постоянно, она не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, её воздействие столь незначительно, что не может вызвать заметных нарушений жизнедеятельности организма. Человечество, как и весь живой мир в целом, ранее не испытывало воздействия высоких доз ИИ, поэтому в процессе эволюции не сформировались специфические рецепторные структуры, и человек не приспособился к его повреждающему действию, не приобрел надежных индивидуальных защитных механизмов.

По физической природе все ионизирующие излучения подразделяются на электромагнитные (рентгеновские излучения и γ -лучи, сопровождающие радиоактивный распад) и корпускулярные (заряжённые частицы: α -частицы - ядра гелия, β -лучи - электроны, протоны, π -мезоны, а также нейтроны, не несущие электрического заряда).

Повреждающее действие различных видов ИИ зависит от их проникающей способности и плотности ионизации в тканях. Чем короче пробег частиц в тканях, тем больше плотность ионизации и сильнее повреждающее действие. Наибольшей ионизирующей способностью обладают α -лучи, имеющие длину пробега в биотканях несколько десятков микрон, наименьшей - γ -лучи. Проникающая способность ИИ настолько велика, что при тотальном облучении ни один участок организма не остаётся интактным.

По характеру воздействия различают внешнее облучение (источник находится вне организма), контактное и внутреннее (инкорпорированное), когда радиоактивные вещества проникли в организм.

По длительности действия облучение может быть однократным, фракционированным (дробным) и длительным. При дробном и длительном облучении поражение организма сильнее, чем при однократном (выше суммарные поглощённые дозы).

Действие ИИ проявляется на всех уровнях биологической организации (табл. 1). Оно чревато изменениями местного (лучевые ожоги, некрозы, катаракты) и общего (острая и хроническая лучевая болезнь) характера, а также отдалёнными последствиями.

 

Таблица 1 Последствия радиационного воздействия на всех уровнях

биологической организации

Уровень биологической организации	Радиационные повреждения
Молекулярный	Повреждение ферментов, ДНК, РНК, нарушение обмена веществ
Субклеточный	Повреждение клеточных мембран, ядер, хромосом, митохондрий, лизосом
Клеточный	Остановка деления и гибель клеток; трансформация в злокачественные клетки
Тканевый, органный	Повреждение ЦНС, костного мозга, желудочно-кишечного тракта
Организменный	Сокращение продолжительности жизни или смерть
Популяционный	Генетические изменения в результате мутаций

 

Степень тяжести поражения, биологический и клинический эффекты, тип лучевых реакций, их значимость для организма и время проявления (непосредственно после облучения, вскоре после него или в отдаленные сроки) определяются: видом ИИ, его физическими характеристиками; дозой облучения (доза-эффект), ее мощностью (мощность дозы-эффект); характером воздействия (внешнее или внутреннее, общее или местное, однократное или дробное); общей реактивностью организма; радиочувствительностью тканей, органов и систем, существенных для выживания организма.

Радиочувствительность - способность живого объекта отвечать определенной реакцией на воздействие ИИ.

Установлено, что радиочувствительность ткани прямо пропорциональна пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцированности составляющих её клеток (правило Бергонье-Трибондо).

По чувствительности к ИИ различают два типа клеток и тканей: а) радиочувствительные (делящиеся клетки и малодифференцированные ткани) - кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и кожный эпителий; б) радиорезистентные (неделящиеся клетки и дифференцированные ткани) - мозг, мышцы, печень, почки, хрящи, связки. Исключение составляют лимфоциты, которые несмотря на их дифференцированность и неспособность к делению, обладают высокой чувствительностью к ИИ.

По степени чувствительности к ИИ (в убывающем порядке) ткани располагаются в следующей очерёдности: лимфоидная ткань, кроветворная ткань, эпителиальная ткань (гонады, ЖКТ, покровный эпителий кожи, эндотелий сосудов, хрящ, кость, нервная ткань). Наиболее радиочувствительными клетки оказываются во время митоза.

Органы или системы с высокой радиочувствительностью, которые первыми выходят из строя в исследуемом диапазоне доз, что обусловливает гибель при поражении организма в определённые сроки после облучения, называются критическими. К ним относятся: красный костный мозг, гонады, хрусталик, эпителий слизистых оболочек и кожа.

Установлено, что: чем сложнее живой организм, тем он более чувствителен к действию радиации.

Патогенез лучевых повреждений

Патогенез лучевых повреждений наиболее полно раскрывает структурно-метаболическая теория (А.М.Кузин, 1986). Согласно этой теории при общем облучении радиобиологические эффекты возникают на всех уровнях биологической организации и реализуются в результате взаимодействия процессов, нормально протекающих в организме и развившихся после облучения, т.е. носят многофакторный характер формирования.

Процесс радиационного повреждения условно можно разделить на три этапа: первичное действие ионизирующего излучения на облучённую структуру; влияние радиации на клетки; действие радиации на целостный организм.

В развитии радиобиологических эффектов условно выделяют следующие стадии:

1. Физическую - физическое взаимодействие, поглощение энергии излучения;

2. Радиационно-химических процессов - образование свободных радикалов (радиолиз воды) и «радиотоксинов»;

3. Радиационного нарушения биохимических процессов;

4. Ультраструктурных и видимых повреждений.

Первичное действие ИИ бывает прямое (непосредственное) и непрямое (косвенное, опосредованное). Прямое действие ИИ - изменения, возникшие в результате поглощения энергии излучения молекулами-мишенями облучаемой ткани. Оно проявляется ионизацией, возбуждением атомов и молекул всех составных элементов организма. Наиболее опасна ионизация воды (радиолиз-наведённая радиоактивность), в результате чего образуются свободные радикалы - атомарный водород (Н^– ), гидроксильный (ОН^–), гидропероксидный (НО₂^–), пероксид водорода (Н₂О₂). Затем свободные радикалы вступают во взаимодействие с ферментными системами, содержащими SH-группы, переводя их в неактивные дисульфидные группы (S=S).

Непрямое (косвенное, опосредованное) действие ИИ связано с изменениями структуры ДНК, ферментов, белков и т.д., индуцированными продуктами радиолиза воды или растворенных в ней веществ, вызывающих реакции окисления; образованием липидных и хиноновых первичных «радиотоксинов», угнетающих синтез нуклеиновых кислот, подавляющих активность ферментов, повышающих проницаемость биологических мембран, изменяющих диффузионные процессы в клетке; возникают нарушения обменных процессов, структурно-функциональные повреждения клеток, органов, систем организма.

Действие ионизирующего излучения на клетки

В основе радиационного повреждения клеток лежат нарушения ультраструктуры органелл и связанные с этим изменения обмена веществ.

Повреждения цитоплазматических структур проявляются в нарушении энергетического обеспечения клеток и проницаемости клеточной мембраны, нарушении обмена веществ, целостности лизосом, что ведёт к аутолизу, и в конечном итоге - к гибели клеток.

Изменения в ядре клетки приводят к торможению процесса синтеза ДНК. Возникают однонитевые и двунитевые разрывы, приводящие к хромосомным абберациям, а также генные мутации. При однонитевых разрывах и других незначительных повреждениях могут развиваться репаративные процессы. Повреждения ядра приводит к синтезу изменённых белков, которые впоследствии способствуют образованию злокачественных опухолей, вторичных радиотоксинов, вызывающих лучевую болезнь и преждевременное старение. Наиболее чреваты последствиями повреждения генома клетки и хромосомного аппарата, ведущие к нарушению механизма митоза.

При больших дозах облучения (десятки и сотни грей) в клетках наступают летальные изменения, приводящие к их гибели до вступления в митоз (интерфазная гибель).

Клеточная гибель является основой радиационного повреждения организма. Интерфазной гибели предшествуют изменения проницаемости ядерной, митохондриальной и цитоплазматической мембран. Изменения структуры и проницаемости мембран лизосом приводят к освобождению и активации ДНК-азы, РНК-азы, катепсинов, фосфатазы, ферментов гидролиза гликозаминогликанов и др. Угнетается клеточное дыхание, наблюдается деградация дезоксирибонуклеинового комплекса в ядре. Появляются различные дегенеративные изменения (пикноз ядра, фрагментация хроматина и др.). При меньших дозах отмечается репродуктивная форма гибели. Основной причиной репродуктивной гибели клеток являются структурные повреждения ДНК (хромосомные абберации), возникшие под влиянием облучения. Погибают все делящиеся клетки, все интенсивно обновляющиеся ткани (кроветворная, иммунная, а также слизистая кишечника, половые клетки).

Различают два механизма лучевой гибели клеток: а) апоптоз (гибель начинается с изменений ядерного аппарата - межнуклеосомной фрагментации хроматина, конденсации ядерного материала, образования апоптозных телец; эти изменения сопровождаются возрастанием проницаемости клеточных мембран); б) некроз (изменения в ядре вторичны, им предшествуют нарушения проницаемости биологических мембран и набухание клеточных органелл). Из клеточных реакций наиболее универсально временное угнетение клеточного деления (радиационное блокирование митозов). Время задержки деления зависит от дозы облучения и возрастает при её увеличении, а также от стадии клеточного цикла, в которой находятся клетки при облучении: наиболее длительно оно в тех случаях, когда клетки облучаются в стадии синтеза ДНК или постсинтетической стадии, а самое короткое – при облучении в митозе. В отличие от временного угнетения, полное подавление митозов наступает после воздействия больших доз ИИ, когда клетка значительное время продолжает жить, но необратимо утрачивает способность к делению. В результате такой необратимой реакции на облучение часто образуются патологические формы гигантских клеток, содержащие несколько наборов хромосом вследствие их репликации в пределах одной и той же неразделившейся клетки.

При облучении имеют место и другие, вторичные механизмы гибели. Так распад клетки или ткани может быть следствием нарушения кровообращения, наличия кровоизлияний, развития гипоксии.

 

Действие ионизирующих излучений на уровне целостного организма.

Лучевая болезнь человека

Действие ИИ на уровне целостного организма проявляется в лучевой болезни. Лучевая болезнь (ЛБ) - заболевание, развивающееся в результате действия на организм ИИ в дозах, превышающих допустимые. Изменения функций нервной, эндокринной систем, нарушение регуляции деятельности других систем организма наряду с клеточно-тканевыми поражениями формируют клинические проявления ЛБ.

Различают острую и хроническую ЛБ, а также отдаленные последствия.

 

Острая лучевая болезнь (ОЛБ). ОЛБ возникает после тотального однократного внешнего равномерного облучения в дозе превышающей 1, 0 Гр. При этом радиационному воздействию подвергаются одновременно все системы, органы, ткани и клетки в одинаковой дозе. ОЛБ представляет собой своеобразную клеточно-тканевую патологию, в основе возникновения которой лежит прямое поражение радиацией облучаемого биосубстрата. В реализации интегрального ответа организма принимают участие системы регуляции поддержания гомеостаза. Однако, их патогенетическое значение в развитии ОЛБ значительно меньше, чем прямых структурно-клеточных последствий облучения.

ОЛБ характеризуется тремя основными клиническими синдромами:

1. Костно-мозговой (гематологический) синдром. В основе его возникновения лежит первичное повреждение ИИ родоначальных клеточных элементов, главным образом, стволовых клеток, массовая гибель делящихся клеток костного мозга. Глубокие нарушения в кроветворной системе определяют склонность к кровотечениям - возникают вторичные изменения – множественные кровоизлияния в кожу, слизистые, паренхиматозные органы, обнаруживающиеся в разгар заболевания (геморрагический синдром).

2. Желудочно-кишечный (эпителиально-клеточный) синдром проявляется клеточным опустошением ворсинок и крипт кишечника, инфекционными процессами, поражением кровеносных сосудов, нарушением баланса жидкости и электролитов, а также секреторной, моторной, барьерной функций кишечника.

3. Церебральный синдром характеризуется поражением ЦНС, нарушением кровообращения и ликворообращения с развитием отека мозга. Причиной гибели нервных клеток может явиться их непосредственное повреждение либо опосредованное (повреждение других систем, в частности, кровеносных сосудов).

В зависимости от дозы ИИ, вызвавшей ОЛБ, и преобладания того или иного синдрома выделяют несколько форм ОЛБ.

1. Типичная костно-мозговая форма. Развивается при облучении в дозах 1-10 Гр. Характеризуется преимущественным поражением костного мозга (костно-мозговой синдром). Летальность 50%. В зависимости от дозы различают IV степени тяжести типичной формы ОЛБ: I - лёгкой степени (1-2 Гр); II - средней степени (2-4 Гр); III - тяжёлой степени (4-6 Гр); IV - крайне тяжёлой степени (свыше 6 Гр).

В течение этой формы ЛБ различают три периода: формирования, восстановления, исхода и последствий.

Период формирования протекает в 4 фазы:

Фаза первичной острой реакции проявляется при дозах, превышающих 1 Гр, развивается в первые минуты-часы после облучения и продолжается 1-3 дня. Появляется тошнота, рвота, сухость и горечь во рту, чувство тяжести в голове, головная боль, общая слабость, сонливость. В тяжёлых случаях - падение АД, кратковременная потеря сознания, субфебрильная температура, ассиметрия сухожильных рефлексов, кожных вазомоторных реакций. В периферической крови - нарастающий нейтрофильный лейкоцитоз со сдвигом лейкоцитарной формулы влево, сменяющийся лейкопенией, абсолютная и относительная лимфопения. В костном мозге - снижение митотического индекса и исчезновение молодых форм клеток. Возникшая активация гипофиз-адреналовой системы приводит к усиленной секреции гормонов коры надпочечников, что может иметь приспособительное значение.

Фаза мнимого клинического благополучия характеризуется включением защитных механизмов организма. Самочувствие больных становится удовлетворительным, проходят клинические признаки болезни. Длительность - 1-2 недели - 1 месяц. Однако в эту фазу нарастает поражение системы крови: прогрессирует лимфопения на фоне лейкопении, нейтропения, снижается содержание ретикулоцитов и тромбоцитов. В костном мозге развивается истощение всех ростков кроветворения, может отмечаться эпиляция волос, атрофия гонад, развитие изменений в тонком кишечнике и коже.

Фаза выраженных клинических проявлений (фаза разгара). Самочувствие больных резко ухудшается, нарастает слабость, вновь появляются диспептические расстройства, повышается температура, увеличивается СОЭ, прогрессирует анемия и тромбоцитопения, развивается агранулоцитоз, геморрагический синдром (степень его выраженности колеблется в широких пределах в зависимости от тяжести поражения); дополнительные травмы усиливают явления кровоточивости. Лимфатические узлы увеличиваются за счёт геморрагического пропитывания. Обильные кровоизлияния в кожу, слизистые оболочки, желудок, кишечник, надпочечники, лёгкие, мозг сердце, с захватом проводящей системы, могут иметь решающее значение в исходе заболевания. Усугубляют ситуацию возникающие инфекционные осложнения - язвенно-некротические гингивиты, некротические ангины, пневмония, воспалительные изменения в кишечнике. Всё это создаёт угрозу для жизни больного.

Фаза раннего восстановления характеризуется нормализацией температуры, улучшением самочувствия, появлением аппетита, восстановлением сна; прекращается кровоточивость, исчезают диспептические явления, нарастает масса тела, восстанавливаются морфологические и биохимические показатели крови, мочи. Продолжительность фазы восстановления - 2-2, 5 месяца, хотя отдельные проявления (облысение, способность к воспроизводству) возобновляются лишь к 4-6 месяцам.

Общая продолжительность периода формирования ОЛБ и его фаз определяется дозой и индивидуальной радиочувствительностью организма. Возможен летальный исход.

2. Кишечная форма ОЛБ возникает при облучении в диапазоне доз 10-20 Гр. Основные клинические проявления связаны с поражением желудочно-кишечного тракта: тошнота, рвота, кровавый понос, метеоризм, паралитическая непроходимость кишечника. Отмечается лейкопения, лимфопения, может иметь место картина сепсиса. К летальному исходу (часто 100%) приводит дегидратация организма, сопровождающаяся потерей электролитов и белка, развитие необратимого шока, связанного с действием микробных и тканевых токсинов, интоксикация организма продуктами кишечного содержимого в связи с нарушением барьерных функций кишечника.

3. Токсемическая форма ОЛБ возникает при облучении в дозах 20-80 Грей, проявляется выраженными гемодинамическими нарушениями (главным образом, в кишечнике, печени), парезом сосудов, тахикардией, кровоизлияниями, тяжелой аутоинтоксикацией и менингеальными симптомами (отёк мозга). Наблюдается олигурия и гиперазотемия вследствие поражения почек. Развивается интоксикация организма продуктами распада. Смерть наступает на 4-7-е сутки (летальность 100 %).

4. Церебральная форма ОЛБ возникает при облучении в дозах 80 Гр и выше. Смерть наступает в течение 1-3 суток сразу после или в ходе самого облучения («смерть под лучом»). Характеризуется развитием судорожно-паралитического синдрома, нарушениями крово- и лимфообращения в ЦНС, сосудистого тонуса и терморегуляции. Позднее появляются нарушения со стороны ЖКТ, происходит прогрессивное снижение кровяного давления. Летальность 100 %. Причиной смерти являются тяжелые и необратимые нарушения ЦНС, характеризующиеся значительными структурными изменениями, гибелью клеток коры головного мозга и нейронов, ядер гипоталамуса.

 

Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ)

ХЛБ представляет собой самостоятельную форму лучевой патологии, развивающуюся в результате продолжительного одно- и многократного облучения организма в малых дозах - при интенсивности 0, 1-0, 5 сГр/сут, после суммарной дозы 0, 7-1, 0 Гр. Она отличается фазностью развития. Особенности ХЛБ обусловлены характером внешнего облучения, многообразностью клинических синдромов, сочетанием симптомов повреждения критических органов с реакциями приспособительного характера.

ХЛБ никогда не возникает как исход ОЛБ. Но клиническая картина ХЛБ во многом сходна с остающимися на всю жизнь явлениями после перенесённой ОЛБ (астенический синдром, функциональная недостаточность костного мозга разной степени, склонность к лейкопении). Это связано с тем, что в основе развития ХЛБ и остаточных явлений после ОЛБ лежат одни и те же механизмы повреждения радиочувствительных клеток с развитием процессов репарации, в результате чего сохраняются более радиорезистентные клетки стромы.

Различают два варианта ХЛБ:

· с развёрнутым клиническим синдромом, обусловленным общим внешним облучением либо поступлением в организм изотопов, равномерно распределяющихся в органах и тканях;

· с клиническим синдромом преимущественного поражения отдельных органов и систем от внутреннего или внешнего облучения.

К общим реакциям организма при ХЛБ относятся: нарушения нейровисцеральной регуляции, астения, органические поражения ЦНС (рассеянный энцефаломиелоз); изменения регионарной и общей гемодинамики (вегето-сосудистая дистония, нарушения кровообращения в головном мозге, коже, конечностях), развитие миокардиодистрофии; угнетение секреторной и ферментативной активности пищеварительных желез, нарушения моторики желудка и кишечника, гипо- и анацидный гастрит; лейкопения с нейтропенией и сдвигом лейкоцитарной формулой влево по дегенеративному типу, тромбоцитопения; при большой дозе облучения - анемия. При длительном облучении возрастает вероятность развития лейкозов.

По степени тяжести ХЛБ, обусловленная общим облучением, может быть лёгкой (1), средней (2) и тяжёлой (3) степени.

Особенности ЛБ от внутреннего облучения

ЛБ от внутреннего облучения является самостоятельной нозологической формой, представляет собой преимущественно хроническое заболевание, на фоне которого формируется избирательное поражение отдельных органов и систем. Она существенно отличается от ЛБ, обусловленной внешним облучением, и возникает вследствие проникновения в организм радиоактивных веществ.

 

Внутреннее облучение по сравнению с внешним чревато более тяжелыми последствиями для организма, т.к. на сегодняшний день отсутствуют достаточно эффективные методы защиты; имеет место контактное облучение - длительное воздействие на ткань; нет поглощения α -частиц роговым слоем кожи, повреждаются органы и ткани, в которых концентрируются радионуклиды. Радиоактивные вещества (РВ) могут поступать в организм разными путями, однократно или многократно. В зависимости от дозы они приводят к различным эффектам: от несущественных нарушений в организме (лучевой реакции) до собственно ЛБ.

Специфические особенности течения ЛБ при внутреннем облучении зависят от путей поступления и определяются во многом типом распределения радионуклидов в организме.

Распределение радионуклидов в организме зависит от их свойств и химической природы и идет по трем основным типам: скелетному, ретикулоэндотелиальному и диффузному. По скелетному типу распределяются, главным образом, радионуклиды щелочно-земельной группы элементов, накапливающиеся в минеральной части скелета, - кальций, стронций, барий, радий. Ретикулоэндотелиальный тип распределения характерен для нуклидов редкоземельных элементов - цинка, тория, америция, трансурановых элементов. По диффузному типу распределяются щелочные элементы - калий, натрий, цезий, рубидий, нуклиды водорода и др. Известны «органотропные» радионуклиды, избирательно накапливающиеся в некоторых органах (например, изотопы йода, накапливающиеся в щитовидной железе).

Клиника ЛБ от внутреннего облучения складывается из синдромов общего и избирательного (локального) поражения в местах преимущественного поступления радиоактивных веществ в организм, их выведения и накопления в тканях и органах.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: