| Стадия | Процессы | Продолжительность стадии |
| Физическая | Поглощение энергии излучения, образование ионизированных и возбуждённых атомов и молекул | 10-6 - 10-15 с |
| Физико-химическая | Перераспределение поглощённой энергии внутри молекул и между ними, образование свободных радикалов | 10-14 - 10-11 с |
| Химическая | Реакции между свободными радикалами, между радикалами и неактивированными молекулами. Образование широкого спектра молекул с измененной структурой и функциональными свойствами | 10-6 - 10-3 с |
| Биологическая | Последовательное развитие поражения на всех уровнях биологической организации: от субклеточного до организменного; активация процессов биологического усиления и репарации повреждений. | Секунды - годы |
1.8. Реализация радиобиологических эффектов на клеточном уровне: реакции клеток на облучение.
На клеточном уровне формируются начальные эффекты лучевых воздействий, приводящие к поражениям, проявляющимся позднее на более высоких уровнях биологической организации - тканевом, органном, системном, организменном. Поэтому в радиобиологии уделяют особое внимание процессам, развивающимся после облучения именно в клетках.
Молекулярные повреждения, возникшие в клетках на начальных стадиях действия ионизирующих излучений, изменяют ход тех обменных процессов, которые осуществляются при участии поврежденных структур. Наиболее значимы для судьбы облученной клетки, изменения нуклеинового обмена, белкового обмена, окислительного фосфорилирования.
Практически сразу после облучения в делящихся клетках замедляется синтез ДНК. Активируются эндо- и экзонуклеазы, вследствие чего повышается ферментативный гидролиз молекул ядерной ДНК; увеличение проницаемости внутриклеточных мембран способствует поступлению ферментов во внутриядерное пространство, повышает доступность ядерной ДНК для ферментативной атаки. Распад ДНК приводит к повышению содержания в тканях полидезоксинуклеотдов. Повреждение мембран лизосом и выход за их пределы протеаз способствуют в ранние сроки после облучения активации процессов протеолиза. Нарушается активность ингибиторов протеаз.
Нарушение метаболических процессов, в свою очередь, приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке. Этот феномен получил наименование “биологического усиления” первичного радиационного повреждения: повреждение казалось незначительного количества макромолекул, но значимых для клеточного метаболизма приводит к лавинообразному нарастанию дисметаболических расстройств и формированию структурных нарушенй в клетке.
Следует помнить, тем не менее, что наряду с процессами повреждения в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций. Наиболее важной системой репарации является система ферментативной репарации повреждений ДНК. Повреждения биомолекул других типов чаще всего не являются фатальными для клетки: продукты их распада могут быть удалены из клетки, а функцию инактивированных соединений могут взять на себя сохранившиеся молекулы того же строения. Молекулы ДНК уникальны, и в случае повреждения их функция не может быть продублирована. При репликации нарушенных матриц будут воспроизводиться дефектные копии - будут синтезироваться аномальные продукты, например ферменты с измененными характеристиками. Поэтому возникшие в результате облучения повреждения ДНК, во избежание развития тяжелых для клетки последствий, должны быть репарированы таким образом, чтобы исходное строение этого чрезвычайно сложно устроенного биополимера было точно восстановлено. В клетке существуют системы нескольких типов, способные репарировать большинство нарушений структуры ДНК, связанных с повреждением одной из комплементарных цепей и даже значительной части повреждений, захватывающих обе нити.
Существование в клетках механизмов и ферментных систем, обеспечивающих репарацию большинства начальных повреждений ДНК, эволюционно обусловлено необходимостью поддержания стабильности генома, в условиях постоянно возникающих повреждений ДНК в результате воздействия естественного радиационного фона, присутствия в среде химических мутагенов, случайно возникающих в процессе жизнедеятельности клеток нарушений и сбоев. Если бы не было таких механизмов, жизнь была бы невозможна.
Судьба облученной клетки определяется соотношением эффективности процессов биологического усиления и репарации. Чем выше доза облучения, тем выше вероятность того, что в результате процессов биологического усиления появятся необратимые изменения, приводящие к гибели клетки, ее злокачественному перерождению, нарушению пролиферативной активности, ограничению дифференцировочных потенций, снижению функциональных возможностей. Чем ниже доза, чем меньше повреждений возникло в клетке, тем вероятнее восстановление от возникших повреждений, сохранение жизнеспособности и основных функций клетки.
Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность (“радиационный блок митозов”). Резкое снижение митотического индекса и, как следствие, прекращение увеличения количества клеток наблюдается как в культурах in vitro, так и при облучении многоклеточного организма. Длительность задержки деления тем больше, чем выше доза (обычно не дольше суток).
Подавление синтеза ДНК не может рассматриваться как причина торможения митотической активности: последняя снижается ранее, чем начинает обнаруживаться уменьшение включения в ДНК меченых предшественников. Блок митозов объясняют нарушением процессов, регулирующих клеточное деление. В частности, может иметь значение нарушение образования веретена, обеспечивающего расхождение хромосом в митозе.
Задержка деления в клетках активно пролиферирующих тканей (таких, например, как костный мозг) является существенной причиной их опустошения после облучения.
При дозах облучения, превышающих несколько десятков грей важным послелучевым эффектом является нарушение функциональной активности нервных клеток, связанное с дефицитом макроэргов, в результате расходования их предшественников в процессе репарации разрывов ДНК.
Важнейшим радиобиологическим эффектом является гибель клеток. Различают две основные формы лучевой гибели клеток: репродуктивную, т.е. непосредственно связанную с процессом деления клетки, и интерфазную, которая может произойти в любой фазе клеточного цикла.
Репродуктивная форма гибели клеток. Необходимым подготовительным этапом к делению клетки является репликативный синтез ДНК. Двойная спираль ДНК разделяется на две самостоятельные нити, и на каждой из образовавшихся одиночных цепей, ставшими матрицами, достраивается парная к ней путем последовательного присоединения нуклеотидов, комплементарных матричным. В конце концов, генетическая информация удваивается, и клетка оказывается готовой к делению. Если в результате облучения возникли повреждения ДНК нормальная репликация делается невозможной. При формировании хромосом повреждения ДНК проявляются возникновением мостов, фрагментов и других типов хромосомных аберраций, многие из которых легальны, поскольку невозможно равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками. Данная форма гибели клеток в митозе получила наименование репродуктивной гибели.
Интерфазная форма гибели клеток реализуется через универсальные механизмы некроза и апоптоза. Исходным событием для некроза клеток, подвергшихся облучению, является вызванное активацией перекисного окисления липидов повреждение внутриклеточных мембран. Повреждение мембран нарушает работу связанных с мембранами ферментов, подавляет процесс окислительного фосфорилирования; повышение проницаемости мембран приводит к нарушению градиентов концентраций низкомолекулярных веществ в клетке, выходу лизосомальных протеаз и нуклеаз в цитоплазму и проникновению их в ядро. Угнетается клеточное дыхание. В результате всех этих процессов развивается деградация нуклеопротеидных комплексов в ядре, происходит расплавление или (реже) пикноз ядра, цитолиз с выходом содержимого клетки за пределы клеточной мембраны.
Как принято считать, процесс апоптоза запускается включением программы самоуничтожения клетки. Процесс апоптоза реализуется через механизмы межнуклеосомной деградации хроматина, что приводит к фрагментации ядра. Распадается и цитоплазма, участки которой, окружающие осколки ядра получили наименование “апоптотических телец”. Происходит активация участков генома, которые контролируют синтез ферментов, участвующих в деградации хроматина. Механизм апоптоза особенно характерен для интерфазной гибели лимфоидных клеток, лимфоцитов периферической крови.
Нелетальные повреждения генома клетки. В результате лучевого воздействия происходит нарушение структуры ДНК, что может быть основой для наследуемых повреждений генетического материала - мутаций. В результате этого процесса могут возникать злокачественное перерождение клеток.
1.9. Радиочувствительность органов и тканей. Правило Бергонье и
Трибондо
Радиочувствительность - поражаемость тканей ИИ. Ткани организма весьма различаются по радиочувствительности. Так, если гибель лимфоцитов или костномозговых клеток удается зарегистрировать после облучения в дозах, равных десятым долям грея, то мышечные и нервные клетки выдерживают нередко дозы в десятки грей. Определенная закономерность в распределении тканей по радиочувствительности отмечена еще в самом начале изучения биологического действия излучений. В 1906 году французскими учеными Бергонье и Трибондо было сформулировано правило, согласно которому ткани тем более радиочувствительны, чем выше пролиферативная активность составляющих их клеток, и тем более радиорезистентны, чем выше степень их дифференцировки.
Радиочувствительность тканей определяется, главным образом, радиочувствительностью составляющих эту ткань клеток. При этом нельзя сбрасывать со счетов и опосредованные влияния через регулирующие системы - нервную и эндокринную (гуморальную). Кроме того, радиочувствительность органа зависит от его функционального состояния. Так, чувствительность обычно повышается при усилении функции органа.
Во взрослом организме в соответствии с правилом Бергонье и Трибондо непролиферирующие высокодифференцированные нервные клетки высоко радиорезистентны. Однако это относится лишь к морфологическим проявлениям повреждения. Функциональные же реакции нейронов обнаруживаются в ответ на облучение уже в ничтожных дозах.
Радиационное поражение системы крови. Система крови относится к числу систем клеточного обновления, функционирование которых обеспечивает поддержание постоянного числа функциональных клеток, обладающих короткой продолжительностью жизни. Изменения, происходящие в системе клеточного обновления, будут рассмотрены на примере гранулоцитопоэза.
Ключевым эффектом радиационного поражения является приостановка клеточного деления (блок митозов), которая тем продолжительнее, чем выше доза облучения. По выходе из блока часть клеток, в которых повреждения ядерной ДНК не были репарированы, подвергается репродуктивной гибели. Часть клеток погибает по интерфазному типу. С повышением дозы число погибающих клеток увеличивается.
Согласно унитарной теории кроветворения Максимова клеточные элементы гемопоэза могут быть разделены на три пула: пул стволовых клеток, пул пролиферирующих клеток и пул созревающих клеток (рис. 1). В соответствии с правилом Бергонье и Трибондо наиболее радиочувствительны клетки стволового отдела. Число стволовых клеток резко снижается практически сразу после облучения. Высокой радиочувствительностью обладают и клетки пула пролиферации. Что же касается клеток пула созревания, то их радиочувствительность сравнительно невысока, большинство этих клеток сохраняют жизнеспособность, созревают и выходят в периферическую кровь. В результате количество клеток в костном мозге, а затем и в периферической крови довольно быстро убывает. Вначале снижается число наиболее молодых, наиболее радиочувствительных клеток. Затем процесс опустошения захватывает все более и более зрелые отделы, т.к. созревание и выход в кровь созревших клеток продолжаются, а восполнения их числа за счет поступления из пролиферативного пула нет. И, наконец, в периферической крови развивается гранулоцитопения.
Содержание в крови гранулоцитов после облучения претерпевает фазовые изменения. В ближайшие часы после облучения обнаруживается ранний нейтрофильный лейкоцитоз со сдвигом влево. Данная реакция носит неспецифический характер и отражает ответ организма на стрессорное воздействие. Начиная со 2-3 сут в крови регистрируется постепенное (прогредиентное) снижение числа лейкоцитов - фаза “первичного опустошения”. С середины 2-й недели после облучения наблюдается так называемый “абортивный подъем” числа нейтрофилов: количество лейкоцитов значимо возрастает. Абортивный подъем объясняют возобновлением после выхода из митотического блока пролиферации клеток пулов пролиферации и созревания. Абортивный подъем обеспечивает лишь временное увеличение числа зрелых нейтрофилов в периферической крови. Пулы пролиферирующих и созревающих клеток не получают новых элементов из пула стволовых клеток и истощаются. На смену абортивному подъему приходит период глубокой нейтропении - еще более глубокое снижение количества нейтрофилов.
Начало снижения содержания в крови отдельных видов функциональных клеток после облучения и срок, когда глубина этого снижения максимальна, зависят, главным образом, от продолжительности циркуляции в крови созревших клеток. Эти параметры различны для разных клеточных линий. У человека прохождение предшественников гранулоцитов через пул пролиферации занимает 4-6 дней, и примерно столько же времени - прохождение через пул созревания. Зрелые гранулоциты циркулируют в крови в среднем всего 8-10часов. В соответствии с названными сроками нейтропения у человека начинает обнаруживаться, примерно, через 5 суток после облучения. Продолжительность пребывания в крови человека тромбоцитов оценивается в 6 - 8 дней, и минимальный их уровень достигается через 2 - 2,5 недели. Длительность жизни эритроцитов в крови составляет 100 - 120 дней. Поражение зрелых эритроцитов после облучении в дозах, составляющих несколько грей, невелико, и поэтому, даже в случае полного прекращения продукции новых эритроцитов, их число в сутки может снизиться примерно на 1 %, и анемия развивается очень медленно (если не возникнет кровотечения).
Поражение кроветворения и связанные с ним клинические проявления, в первую очередь инфекционные осложнения и повышенная кровоточивость, получили наименование костномозгового синдрома, который лежит в основе одноименной формы острой лучевой болезни.
Радиационное поражение органов желудочно-кишечного тракта. При общем облучении среди органов желудочно-кишечного тракта наиболее значимо поражение эпителия слизистой тонкой кишки, который является принципиально такой же системой клеточного обновления, как и костный мозг. В слизистой кишки взаимное расположение клеток, относящихся к разным пулам, четко разграничено. На дне крипт находятся стволовые клетки. По мере деления стволовых клеток и последующего их созревания клетки продвигаются по направлению к устью крипт и далее по стенке ворсинки к ее верхушке, откуда слущиваются в просвет кишки. Утрата клеток с ворсинок сбалансирована притоком вновь образованных клеток из крипт. Продвижение клетки от дна крипты до верхушки ворсинки занимает около 4 суток.
Как и в других системах клеточного обновления, в эпителии кишки после облучения наступает временный блок митозов, в результате чего погибают, прежде всего, стволовые и другие делящиеся клетки. Созревающие и функциональные клетки, будучи более радиорезистентны, после облучения продолжают продвижение к верхушкам ворсинок. Зрелые клетки после непродолжительного срока слущиваются в просвет кишки. Эпителиальная выстилка кишки при отсутствии пополнения за счет клеточного деления быстро исчезает, ворсинки “оголяются” и уплощаются.
Стволовые энтероциты менее чувствительны к гамма - и рентгеновскому облучению, чем стволовые кроветворные клетки вследствие более высокой активности в них систем внутриклеточной репарации повреждений ДНК: стволовые клетки костного мозга поражаются при дозе менее 1 Гр, а в эпителии тонкой кишки - при дозах порядка 4 Гр. Поэтому опасное для жизни повреждение эпителия кишки происходит при более высоких дозах, чем при глубоком повреждении костного мозга.
В случаях, когда доза общего облучения достигает величины, при которой повреждение кишки становится несовместимым с сохранением жизни организма, патологический процесс развивается очень быстро, и уже к концу 3-5суток происходит полная атрофия слизистой. При этом несовместимая с жизнью панцитопения в крови развивается значительно позднее. Описанные изменения слизистой тонкой кишки лежат в основе развития так называемого кишечного синдрома.
Другие отделы желудочно-кишечного тракта менее радиочувствительны, чем тонкая кишка, и их повреждение при общем облучении чаще всего не имеет самостоятельного значения. Тем не менее, во всех отделах желудочно-кишечного тракта после общего облучения могут наблюдаться эрозии, изъязвления, местные некрозы вплоть до перфорации кишечной стенки. Чаще всего возникновение этих проявлений связано с развитием вторичной инфекции и геморрагий на почве костномозгового синдрома.
Лучевое поражение центральной нервной системы. Морфологические изменения в клетках центральной нервной системы наблюдаются, как правило, только после воздействия в дозах, приближающихся к 50 Гр и выше. Однако, как уже отмечалось, нейроны способны отвечать функциональными реакциями на воздействие даже малых доз облучения. К этому следует добавить, что на функции нервной системы могут повлиять и обильная патологическая афферентная импульсация из поврежденных радиочувствительных тканей, и влияние первичных радиотоксинов (продуктов клеточного распада) и эндотоксинов, проникающих во внутреннюю среду из кишки.
Возникающая острая дисфункция центральной нервной системы проявляется симптомами первичной реакции на облучение: тошнота, рвота центрального генеза, гипо - и адинамия. После облучения в дозах порядка нескольких десятков Грей нарушения функций ЦНС лежат в основе развития нарушений, определяющих клиническую картину церебральной формы острой лучевой болезни.
Таким образом, при невысокой радиочувствительности нейронов для развития клиники лучевого поражения имеют существенное значение
нарушения функций нервной системы.