Влияние разных поглощенных доз ИИ на образование хромосомных аберраций

Биологическая стадия действия ИИ.

Биологическая стадия длится от часов до нескольких лет. Сопровождается повреждением клеток, тканей, органов. На действие ИИ возможны 3 типа клеточных реакций:

- Радиационный блок (задержка) митозов.

- Митотическая (репродуктивная) гибель клетки.

- Интерфазная гибель клетки.

На каждый грей поглощенной дозы ИИ клетка отвечает задержкой митоза на 1 час, независимо от того, погибнет она в дальнейшем или нет. Эта реакция имеет приспособительное значение, так как это время используется для восстановительных процессов в клетке.

При определенных дозах клетка теряет способность к размножению и гибнет в процессе одного из первых четырех делений после облучения в результате повреждения хромосомного аппарата, что получило название митотической (репродуктивной) гибели клетки. При грубых хромосомных аберрациях гибель клетки происходит во время первого клеточного деления, в ряде случаев на 2-4 клеточном цикле из-за несовместимого для жизни клетки потери наследственного материала. Этот тип реакции нехарактерен для непролиферирующих и редко делящихся клеток.

Если клетка гибнет до вступления в митоз, это получило название интерфазной гибели. Этот тип реакции характерен для лимфоцитов при облучении в сравнительно небольших дозах. Таким образом гибнет большинство соматических клеток после облучения в больших дозах, превышающих десять грей. В клетках нарушается структура хроматина и синтез ДНК, активируется ПОЛ и повреждаются мембраны лизосом и митохондрий с выходом нуклеаз, протеаз и кальция (активатор протеаз). Происходит деструкция ядерного материала, дезорганизация мембран и гибель клетки.

Естественный уровень онкопатологии, врожденных аномалий развития вызывается мутагенезом, соответственно, соматических и половых клеток. Культура лимфоцитов периферической крови является удобным диагностическим объектом, отражающим спонтанный и индуцированный уровень мутагенеза в макроорганизме. При добавлении фитогемагглютинина индуцируется пролиферация лимфоцитов, остановка которой в метафазе позволяет выявить уровень хромосомных аберраций.

Вначале считали, что в норме присутствует от 0 до 14% аберрантных клеток. Сейчас показано, что естественный уровень составляет 1-2% или 1-2 аберрантные клетки на 100 клеток, находящихся в метафазе. С возрастом процент увеличивается в несколько раз до 5-6% и более. А.В.Севанькаев (1987) на 3,5 тысячах доноров провел 30 тысяч анализов метафаз лимфоцитов и выявил 312 аберраций на 30 тысяч исследованных метафаз, что составляет около 1%. У лиц в возрасте 20-39 лет ~1%, 40-50 лет ~1,5%.

Хромосомные аберрации могут быть существенными и несущественными. При разрыве хромосом могут возникать парные фрагменты и неполные хромосомы. Слияние последних приводит к образованию дицентриков с 2 центромерами, которые представляют собой наиболее существенные аберрации, приводящие к нарушению функции клеток.

Выход хромосомных аберраций находится в линейно-квадратичной зависимости от поглощенной дозы: y = aD + bD² (А.В.Севанькаев, 1987).

Таблица 1

Влияние разных поглощенных доз гамма-облучения на образование хромосомных аберраций (А.В.Севанькаев, Н.П.Бочков, 1968).

Доза, в Гр	Число изученных метафаз	Количество дицентриков, в %	Количество дицентриков, в %	Всего аберраций, в %
		0,3		0,3
0,25		4,6	1,6	4,9
0,5		8,2	3,6	8,2
1,0		22,0	12,5	27,1
2,0		46,8	37,8	71,3
4,0		88,0	111,0	236,0

Примечание. Мощность дозы о,45 Гр/мин. Фиксацию клеток проводили в первом митозе после облучения.

На основании подобных данных можно построить калибровочную кривую и по числу аберраций определить поглощенную организмом дозу. Известный гематолог А.И.Воробьев считает, что биодозиметрия точнее физической дозиметрии, и ее можно использовать для определения доз у пострадавших от действия ИИ.

Прибавка хромосомных аберраций в соматических клетках ведет к соответствующей прибавке в онкопатологии. Прибавка хромосомных аберраций в половых клетках дает соответствующую прибавку врожденных генетических дефектов.

Механизмы пострадиационного восстановления.

Выделяют фазу быстрого восстановления в течение первого часа после облучения и фазу медленного восстановления, которая длится еще 6-8 часов. В клетках могут накапливаться сублетальные повреждения ДНК, которые выявляются при повторном облучении, переходя в летальные. Это связано с тем, что в случае неполноценной репарации однонитевых разрывов ДНК при повторном облучении увеличивается вероятность перевода их в двунитевые.

В репарации повреждений ДНК участвуют следующие группы ферментов:

- Нуклеозидазы (отщепляют поврежденные пуриновые и пиримидиновые основания с образованием апуриновых и апиримидиновых участков – АП-сайты).

- Инсертазы (встраивают новые основания в АП-сайты).

- Лиазы (расщепляют тиминовые димеры).

- Эндонуклеазы (производят разрез ДНК – инцизию).

- Экзонуклеазы (удаляют поврежденный участок ДНК – эксцизия).

- ДНК-лигазы (сшивают нуклеотиды).

- ДНК-полимеразы (производят полимеризацию нуклеотидов–трифосфатов, размещенных в необходимом порядке при участии неповрежденной комплементарной цепи).

Однонитевые разрывы ДНК легче поддаются восстановлению, так как комплементарная нить интактна и удерживается возле поврежденной нити ДНК водородными связями. Поврежденные фрагменты нити ДНК вырезаются (эксцизия) и заменяются новыми. При восстановлении двунитевых разрывов вероятность ошибок больше, они не всегда поддаются восстановлению и служат главной причиной хромосомных аберраций.

Радиочувствительность.

Радиочувствительность (РЧ) – чувствительность биологических объектов к действию ИИ. Различают видовую, индивидуальную, тканевую, клеточную РЧ. РЧ существенно различается при сравнении разных видов, в пределах одного вида, а также при сравнении разных органов, тканей и клеток.

РЧ клеток зависит от организации генома, состояния системы репарации ДНК, интенсивности окислительно-восстановительных процессов и содержания антиоксидантов в клетке, активности ферментов нейтрализации продуктов радиолиза воды (каталаза, супероксиддисмутаза).

РЧ тканей согласуется с правилом Бергонье-Трибондо, согласно которому РЧ пропорциональна пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцировки составляющих ткань клеток. Наиболее радиочувствительными будут ткани с пулом активно размножающихся клеток (гонады, кроветворная ткань, эпителий слизистых оболочек). К радиорезистентным относятся дифференцированные, мало обновляющиеся ткани (мышечная, костная, нервная).

РЧ органов зависит от составляющих их тканей.

В яичках мужчин наиболее радиочувствительны постоянно размножающиеся сперматогонии. Сперматозоиды и сперматоциты более радиорезистентны. Опустошение яичек происходит при дозе 0,15 Гр и более. Дозы в 0,15-2 Гр приводят к временной олигоспермии. Дозы выше 2,5 Гр (до 3,5) ведут к временной (до года) стерильности. При дозе 3,5-6 Гр развивается стойкая стерильность с возможным частичным восстановлением сперматогенеза к 2 годам после облучения. Гормональная функция более резистентна. Клетки Лейдига устойчивы при локальном облучении в 50 Гр.

В яичниках женщины детородного возрастасодержатся незаменяемые ооциты, образование которых завершается вскоре после рождения. Ооциты высоко радиочувствительны в процессе митотического деления. Однократное облучение обоих яичников в дозе 1-2 Гр вызывает временное бесплодие на 1-3 года. Доза 3,5-6 Гр вызывает стойкую стерильность. На контингенте женщин, подвергшихся лучевой терапии, наблюдали временную аменорею у половины женщин, облученных в дозе 1,5 Гр. В отличие от мужчин у женщин страдает и гормональная функция, так как у женщин эти процессы более связаны. Женщины старших возрастов более чувствительны к облучению, так как имеют меньше фолликулов. Однако большее внимание следует уделять женщинам детородного возраста до 40 лет.

Среди органов пищеварения наиболее радиочувствительна слизистая тонкого кишечника, далее следуют слизистая полости рта, языка, слюнных желез, пищевода, желудка, прямой и ободочной кишок, паренхима поджелудочной железы и печени.

В сердечно-сосудистой системе наиболее чувствителен наружный слой сосудистой стенки. Изменения в миокарде обнаруживаются при облучении сердца в дозе 5-10 Гр, в эндокарде – при дозе в 20 Гр.

При облучении легких может развиться радиационный пульмонит с потерей эпителиальных клеток, воспалением легочных альвеол и дыхательных путей и последующим фиброзом.

Облучение почек может привести к развитию хронического нефрита.

При облучении органа зрения в дозе более 3 Гр у человека развивается катаракта хрусталика и воспалительный процесс в конъюнктиве и склере.

Органы эндокринной системы характеризуются относительной радиорезистентностью.

Гибель нейронов наблюдается при дозах более 100 Гр.

Остеобласты периоста и эндоста сравнительно радиочувствительны, что особенно проявляется при регенерации костной ткани в процессе заживления переломов. Зрелые остеоциты и органический матрикс костной ткани радиорезистентны.

Клетки мышечной ткани радиорезистентны.

Индивидуальная РЧ на популяционном уровне колеблется в широких пределах. На уровне целостного организма в качестве критерия РЧ используют ЛД₅₀ ‑ дозу облучения, вызывающую смерть 50% облученных организмов данного вида за определенное время после облучения. Для индивидуальной РЧ имеют значение особенности генотипа (эффективность системы репарации ДНК), физиологическое состояние организма, пол, возраст. 10-12% популяции отличается повышенной РЧ.

Особенно радиочувствительны лица, имеющие некоторые наследственные заболевания (атаксия–телеангиэктазия, пигментная ксеродерма). Люди менее радиочувствительны во время сна и более радиочувствительны во время бодрствования, при усталости, беременности, хронических заболеваниями, ожогах. Лица более зрелого возраста менее радиочувствительны. Считается, что женщины менее радиочувствительны, чем мужчины.

Исключительно высоко радиочувствительны малодифференцированные ткани эмбриона и плода. Облучение женщин в период беременности может приводить к следующим последствиям у потомства:

- Эмбриональная, неонатальная и постнатальная гибель плода, нарушение течения беременности.

- Увеличение вероятности врожденных пороков развития.

- Увеличение частоты нарушений роста и физического развития.

- Увеличение частоты нарушений функции центральной нервной системы.

- Снижение адаптационных возможностей организма. Нарушения функции иммунной и эндокринной систем.

- Рост онкологической заболеваемости.

Эффекты радиации могут проявляться сразу (смерть, пороки развития) или в отдаленные сроки после рождения (отставание в росте и развитии, онкологическая и другая заболеваемость).

Эмбриональная, неонатальная и постнатальная гибель плода. Наибольший риск гибели эмбриона отмечается при облучении в предимплантационный период в первые дни после зачатия. Гибель эмбриона до имплантации может наступить при облучении в дозе равной и выше 0,1 Гр. Поэтому рентгенодиагностические исследования у женщин детородного возраста следует выполнять в первые 10 дней с начала менструации (правило 10 дней), чтобы избежать облучения при нераспознанной беременности.

Встречаются следующие пострадиационные врожденные пороки развития:

- Нарушения строения головы – черепно-мозговая грыжа, расщепление верхнего неба и губы, нарушения формы черепа и строения уха.

- Пороки ЦНС – анэнцефалия, микроцефалия, гидроцефалия.

- Пороки органа зрения – анофтальмия, микрофтальмия.

- Пороки скелета – полидактилия, нарушения в суставах.

- Пороки сердца и крупных сосудов.

- Пороки урогенитальной системы.

- Грыжи грудная, паховая, пупочная.

- Другие пороки.

Врожденные пороки развития, особенно микроцефалия и другие пороки ЦНС, чаще развиваются после облучения плода в дозе выше 0,1 Гр в период от 9 до 60 дней после оплодотворения (период основного органогенеза).

Нарушения роста и физического развития сопровождаются уменьшением массы внутренних органов и окружности груди и головы.

Нарушение функции ЦНС развивается в результате гибели клеток – предшественников нейронов и глии, незрелых нейронов и мигрирующих нейронов – «клеток-поводырей». Непосредственное влияние ионизирующего излучения на нервную систему может дополняться влиянием гипоксии в результате подавления гемопоэза.

Риск развития умственной отсталости наблюдается у детей, облученных в дозе 0,12 Гр и выше на 8-15 неделях эмбриогенеза, что выявляется при проведении тестирования (определение, так называемого, коэффициента интеллектуальности). Облучение в дозе 1,5 Гр и выше на 8-26 неделях беременности вызывает существенную задержку умственного развития. По данным японских авторов пороговая доза развития синдрома Дауна при внутриутробном облучении находится в диапазоне 0,29-0,56 Гр.

Патология эндокринной системы проявляется снижением йодпоглотительной и гормонсинтезирующей функции щитовидной железы.

Патология иммунной системы заключается в росте первичных и вторичных иммунодефицитных состояний.

Риск развития онкологической патологии растет при внутриутробном облучении в дозе 0,3 Гр и выше на матку. Заболеваемость в этой группе при сравнении с контрольной группой была выше в 3,9 раза.

Классификация радиационной патологии.

Различают 2 основные группы радиационных эффектов: детерминированная и стохастическая (вероятностная) патология.

Детерминированная патология характеризуется быстрым развитием вскоре после воздействия характерной патологии органов и тканей, наличием пороговой дозы, до достижения которой выраженных изменений не наблюдается и при превышении которой наблюдается прямая зависимость между величиной дозы и эффектом. К этой группе относятся:

1. Острая лучевая болезнь (ОЛБ). ОЛБ развивается, начиная с поглощенной дозы 1 Гр общего облучения, полученного за короткий промежуток времени.

2. Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ). За рубежом ХЛБ в клинике не описана (только в эксперименте), как считается, в результате более тщательного соблюдения норм радиационной безопасности. При накоплении определенной дозы необходимо производить смену персонала. В бывшем СССР среди работников атомной отрасли возник контингент из нескольких сотен больных с ХЛБ. Основная причина – нежелательность смены персонала из-за секретности, прописки. За 3-4 года человек накапливал большие суммарные дозы. ХЛБ развивается при накоплении суммарной эквивалентной дозы – 2-6 Зв. Среди ликвидаторов аварии на ЧАЭС диагноз ХЛБ не был поставлен никому.

3. Локальная лучевая патология:

- Лучевые ожоги кожи и подлежащих тканей, которые развиваются при получении поглощенной дозы 8-10 Гр.

- Лучевая катаракта. При дозах 2,5-3 Гр развивается медленно и не у всех, при дозах 7-8 Гр развивается быстро у всех пострадавших.

- Стерилизация, которая может быть кратковременной неполной при облучении в дозе до 2,5 Гр. Стойкое бесплодие у мужчин и женщин развивается при остром облучении в дозах 2,5-6 Гр.

- Лучевая патология щитовидной железы в виде гипотиреоза и аутоиммунного тиреоидита.

- Лучевой фиброз легких. При инкорпорации плутония развивается плутониевый пневмосклероз (за рубежом используется термин лучевая интерстициальная пневмония). Имеется опыт тотального терапевтического облучения тела у 400 больных, страдающих лейкозами, в дозах 10-20 Гр за несколько сеансов. У многих развился отек в интерстиции легких с пропотеванием и коагуляцией белка, который плохо рассасывается. Это лучевой пневмонит или пульмонит.

- Лучевой перикардит развивается при облучении в дозе 15-20 Гр на перикард за несколько сеансов (фракций). Развиваются отек, геморрагии, коагуляция с тампонадой сердца.

- Локальные нарушения в системе кроветворения при местных дозах облучения на костный мозг (грудина, бедро), превышающих 8-10 Гр, с развитием местной гипоплазии и гипофункции кроветворения.

- Лучевой остеосклероз, реже остеопороз при облучении в дозах 50-120 Гр.

Стохастическая или вероятностная патология. Относится к отдаленным последствиям воздействия ионизирующегшо излучения. Речь идет о влиянии радиации на онкопатологию и генетическую патологию, прибавочную к естественному уровню.. В отношении онкологической и генетической патологии считается обоснованной беспороговая концепция, согласно которой прирост патологии пропорционален эквивалентной дозе радиации, начиная с нулевой дозы.

Онкологическая патология. В индивидуальном плане нельзя сказать, у кого разовьется онкопатология, но в популяции в целом будет прибавка к естественному спонтанному уровню. Естественный уровень онкопатологии находится на уровне примерно 16% из общей структуры заболеваемости. На 1 млн. человек за 70 лет жизни онкологическими болезнями заболеет 160 тысяч, из которых 70 тысяч будет излечено и для 90 тысяч исход будет летальным. Заболеваемость лейкозами составляет 40 случаев на 1 млн. жителей в год безотносительно возраста или 2800 случаев на 1 млн. за 70 лет жизни.

Генетическаяпатология. Под влиянием радиации происходит прибавка генетической патологии, врожденных аномалий развитияНа 1 млн. живородившихся 100 тысяч или 10% составляет естественный уровень врожденных аномалий развития, из которых 4% существенных и 6% несущественных. Несущественные аномалии клинически незначимы, ребенок развивается нормально, живет полноценно. Было подсчитано, что ежегодно в странах бывшего СССР рождалось 280 тысяч детей с врожденными аномалиями развития (в США – 350 тысяч). 10% детей с существенными врожденными аномалиями развития погибает в 1-й год жизни, 90% становится инвалидами разной степени. 40% всех детских коек заняты этими больными.

Прогноз медицинских последствий аварии на ЧАЭС для жителей территорий с загрязнением цезием-137 с уровнем 15-40 Ки/км².

Прогноз опубликован в 1989 году в журнале "Медицинская радиология". Прогноз выполнен с учетом материалов Японии, Восточно-Уральского теплового взрыва, экспериментальных данных на крупных животных (собаки, обезьяны).

Прогноз по онкопатологии суммарно всех локализаций предполагал дополнительно 0,5% к 100% естественного уровня, что в абсолютных цифрах составляет 800 случаев в дополнение к 160 тысячам/1 млн. человек за 70 лет жизни. Прогноз по лейкозам предполагал прибавку в 1,5% к 100% естественного уровня или 42 случая дополнительно к 2800/1 млн. за 70 лет.

Прогноз по врожденным генетическим аномалиям. Предполагалась прибавка врожденных аномалий развития за 1-й год после аварии на ЧАЭС в 1,9% к 100% естественного уровня, что в абсолютном выражении составляет 1900 случаев дополнительно к 100 тысячам/1 млн. живородившихся. Это дети второй половины 1986 года ‑ первой половины 1987 года. На 70 последующих лет прогноз предполагал прибавку 0,19% к 100% естественного уровня или 190 случаев дополнительно к 100 тысячам/1 млн. жителей в год. Прирост по умственной отсталости предполагался в 0,04% за первый год и 0,004% на каждый год последующих 70 лет.

Прогноз по онкопатологии и генетической патологии является довольно сложным делом, учитывая высокий естественный уровень и сложный механизм развития, на который влияют многие факторы внешней среды. Мутагены включают естественный радиационный фон, и их общий уровень во многом зависит от образа жизни. Особое значение имеет действие вредных факторов на эмбрион и плод (с 6 недель), а также на мать во время беременности. Сюда входят образ жизни матери, ее болезни, профессиональные вредности, курение, недоедание, авитаминоз и другие.

Лекция 4.