РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ ПРИ ВНЕШНЕМ ОБЛУЧЕНИИ
В общем случае радиочувствительность органов зависит не только от радиочувствительности тканей, которые составляют орган, но и от его функций. Рассмотрим действие излучения на органы и ткани при внешнем облучении.
Гонады (половые железы). Данные о действии излучения на яичники получены при исследовании больных, прошедших лучевую терапию, а также в результате обследования женщин, подвергшихся облучению в Японии и на Маршалловых островах. Яичники взрослых женщин содержат овоциты, находящиеся на разных стадиях развития. Поэтому излучение, убивая овоциты, может вызвать стойкое бесплодие.
Воздействие однократных острых доз 1–2 Гр на оба яичника вызывает временное бесплодие и прекращение менструаций на 1–3 года. Острые дозы порядка 4 Гр приводят к бесплодию.
Облучение мужчин даже дозой 0,1 Гр вызывает снижение количества сперматозоидов в течение 1 года. Облучение дозой 2,5 Гр вызывает стерильность, которая продолжается в течение 2–3 лет, а после облучения дозой 4–6 Гр наступает постоянная стерильность. Здесь мы не рассматриваем риск рождения неполноценного потомства. Напомним, что он относится к стохастическим эффектам, т.е. существует, как говорят математики, при любой «сколь угодно малой» дозе облучения.
Кожные покровы. Радиационное повреждение кожи представляет собой комплекс поражений тканей эпидермиса, дермы и подкожных слоев. При облучении умеренными дозами (3–8 Гр) возникает характерное покраснение кожи — эритема, которая проходит обычно через 24–58 часов. Вторая фаза наступает через 2–3 недели. Она сопровождается потерей поверхностных слоев эпидермиса. Состояние кожи близко к первой степени термических ожогов, например солнечных, и может длиться несколько недель, затем проходит. На коже остаются темные пятна. При облучении кожи дозой 10 Гр вторая фаза эритемы продолжается около недели, затем появляются волдыри, изъязвления, сопровождающиеся выделением жидкости. Состояние кожи напоминает при этом вторую степень термических ожогов, заживление может длиться неделями с последующим формированием непроходящих рубцов. При дозе порядка 50 Гр эпидермис разрушается, дерма и подкожные слои повреждаются. Лучевые реакции проявляются раньше, заживление язв и других повреждений может продолжаться годы и иметь рецидивы.
|
|
|
Клетки волосяных фолликулов являются довольно радиочувствительными, и облучение дозой 3–4 Гр уже влияет на рост волос. После облучения такой дозой волосы начинают редеть и выпадают в течение 1–3 недель. В более поздний период рост волос может возобновиться. Однако при облучении дозой порядка 7 Гр происходит постоянная потеря волос.
|
|
|
Органы зрения. Выделяют два типа поражения глаз: воспалительные процессы в конъюнктиве и склере при дозах 3–8 Гр и катаракта при дозах 3–10 Гр, причем величина дозы зависит от вида животных. У человека катаракта появляется при облучении дозой 6 Гр. Наиболее опасны в этом случае нейтроны, при облучении которыми частота заболеваний в 3–9 раз выше, чем при гамма-излучении.
Легкие. Легкие являются наиболее чувствительным органом грудной клетки. Радиационные пневмониты сопровождаются потерей эпителиальных клеток, которые выстилают дыхательные пути и легочные альвеолы, воспалением дыхательных путей, легочных альвеол и кровеносных сосудов, приводя к фиброзам. Эти эффекты могут вызывать легочную недостаточность и даже гибель в течение нескольких месяцев после облучения грудной клетки. Данные, полученные при лучевой терапии, показывают, что пороговые дозы, вызывающие острую легочную гибель, – около 25 Гр рентгеновского или гамма-излучения, а после облучения легких дозой 50 Гр гибель составляет 100%.
Органы пищеварения. Желудочно-кишечный синдром, приводящий к гибели при облучении дозами 10–100 Гр, обусловлен в основном радиочувствительностью тонкого кишечника. В случае острого тотального облучения радиочувствительность возрастает в следующем порядке: полость рта, язык, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа и печень.
|
|
|
Сердечно-сосудистая система. В экспериментах на мышах было обнаружено, что наиболее радиочувствителен наружный слой сосудистой стенки из-за высокого содержания в нем подверженного перерождению коллагена — белка соединительной ткани, который обеспечивает выполнение стабилизирующей и опорной функций. Показательно, что через 4–5 месяцев после облучения некоторые сосуды оказались полностью лишенными внешней оболочки. Причем в коже мышей уже при дозах 4–15 Гр было обнаружено последующее уменьшение восстановления сосудов.
При исследовании сердца обнаружены непосредственные и отдаленные изменения в миокарде после локального облучения дозами 5–10 Гр. Получены также данные о значительной радиочувствительности клеточного слоя, выстилающего внутреннюю оболочку сердца и створки клапанов, что способствовало образованию внутрижелудочковых тромбов через полгода после локального облучения области сердца мышей дозами порядка 20 Гр.
Эндокринные железы. Клетки эндокринных желез высокоспециализированы и медленно делятся. Поэтому предполагают, что наблюдаемые после общего облучения нарушения баланса гормонов, особенно щитовидной железы, надпочечников и гонад, могут быть следствием реакции гипоталамо-гипофизарной системы, главное назначение которой — регуляция вегетативных функций организма (деятельность внутренних органов, желез, сосудов).
|
|
|
Органы выделения. Считают, что почки достаточно устойчивы к облучению, но именно их повреждения являются ограничением для облучения опухолей брюшной полости при лучевой терапии. Облучение обеих почек дозой, большей 30 Гр, за 5 недель может вызвать неизлечимый хронический нефрит с летальным исходом. Механизм поражения слабо изучен, однако известно, что именно радиационные циститы приводят к серьезным осложнениям лучевой терапии.
Кости и сухожилия. В течение интенсивного роста кости и хрящи более радиочувствительны. После его окончания облучение приводит к омертвению участков кости — остеонекрозу — и возникновению спонтанных переломов в зоне облучения. Другим проявлением радиационного поражения является замедленное заживление переломов и даже образование ложных суставов.
Мышцы. В мышцах клеточного обновления почти не происходит. Исследования показали, что мышцы достаточно устойчивы к облучению. Слабая мышечная атрофия была обнаружена только при дозах порядка 60 Гр.
Отметим, что важным является то, каким было облучение — локальным или общим, т.е. подвергался облучению какой-либо орган или все тело. От дозы 3–5 Гр при облучении всего тела умирает примерно половина всех облученных в течение одного-двух месяцев вследствие поражения клеток костного мозга. Локальные дозы, допустимые при лучевой терапии опухолей, могут быть значительно выше.
Еще одно замечание. Радиочувствительность определяется, как правило, по отношению к острому облучению, притом однократному. Поэтому получается, что системы, состоящие из быстро обновляющихся клеток, более радиочувствительны.
А что, если облучение является хроническим, т.е. человек живет при постоянно повышенном фоне? Тогда как раз быстро обновляющиеся клетки не будут сильно реагировать на этот фон, а для мало делящихся или совсем не делящихся клеток доза, которую они набирают в течение длительного времени, будет соответствовать той же дозе при остром облучении. Получается наоборот, что в этом случае более уязвимы те органы ткани, которые считаются более радиочувствительными. Конечно, это происходит при определенной мощности дозы. Исследования радиочувствительности в этом случае никто не проводил, поэтому наше предположение, хотя оно и совершенно очевидно, остается только предположением. Однако такое исследование остро необходимо, так как от него зависит жизнь и здоровье многих тысяч людей, вынужденных жить в условиях повышенного радиационного фона.
Эмбрион и плод. Наиболее серьезные последствия облучения — гибель до или во время родов, задержка развития, аномалии многих тканей и органов тела, возникновение опухолей в первые годы жизни.
У мышей около 50% эмбрионов погибают, если доза облучения достигает 1 Гр в первые 24 часа после зачатия. Эмбрион дегенерирует и гибнет до имплантации. Выжившие эмбрионы обычно развиваются относительно нормально.
В период формирования органов облучение вызывает внутриутробную гибель или гибель сразу после рождения. ЛД50 для внутриутробной гибели мышей составляет 1–1,5 Гр в период раннего формирования органов, а к зародышевому достигает 7 Гр. Облучение на стадии формирования органов приводит к высокой смертности сразу после рождения. Кроме того, облучение дозой 1 Гр или большей после имплантации вызывает пороки развития у 100% потомства, что влечет за собой гибель в младенчестве или во взрослом состоянии. Аномалии могут развиться во всех важнейших органах и тканях тела. Хотя и считается, что в зародышевый период ЛД50 более высока, однако можно наблюдать некоторые микроскопические повреждения при дозе 1 Гр.
Если суммировать экспериментальные данные, можно сделать вывод, что во время беременности млекопитающих облучение дозой 0,5 Гр приводит к гибели эмбрионов при имплантации, порокам развития при формировании органов, потере клеток и недоразвитию тканей в зародышевый период. Более того, некоторые эксперименты показали увеличение количества пороков при дозе 0,1 Гр, поэтому считают, что не существует пороговой дозы, ниже которой облучение не вызывало бы никакого эффекта для млекопитающих. В зарубежной литературе до 1986 г. были, например, приведены такие цифры для человека: облучение эмбриона или зародыша дозой 0,05 Гр в течение трех первых месяцев беременности может увеличить предрасположенность к раку в 10 раз. Приводятся также доказательства того, что внутриутробная диагностика с использованием рентгеновского излучения в дозах 0,002–0,200 Гр может вызвать развитие опухолей у детей. Единого мнения среди специалистов нет, но многие национальные и международные комитеты осуществляют контроль за профессиональным и клиническим облучением женщин.
Биологическое действие ионизирующих излучений, изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения) или потоков заряженных частиц (альфа-частиц, бета-излучения, протонов) и нейтронов.
Исследования Биологическое действие ионизирующих излучений были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (1896). В 1896 русский физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования Биологическое действие ионизирующих излучений с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии (см. Радиобиология).
Для Биологическое действие ионизирующих излучений характерен ряд общих закономерностей. 1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Попытка объяснить «несоответствие» количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени (см. Мишени теория), согласно которой лучевое повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствительную часть клетки - «мишень». 2) Биологическое действие ионизирующих излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит перед человечеством вопросы изучения Биологическое действие ионизирующих излучений и защиты организма от излучений. 3) Для Биологическое действие ионизирующих излучений характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких мин до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции (рис. 1, 3). Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад) можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.
Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 сут после облучения (летальная доза - ЛД 50/30) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550-650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000-20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы - 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.
Большое значение имеют также возраст (рис. 2), физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы - на несколько мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для Биологическое действие ионизирующих излучений. испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма.
Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы (см. Радикалы свободные), которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10-9 г) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра (например, к инактивации белка-фермента). Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе Биологическое действие ионизирующих излучений, т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли сек (рис. 3).
Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению количества богатых энергией (макроэргических) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Т. о., в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются многие компоненты клетки, в том числе макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная кислота, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологических процессов и клеточных структур.
Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления - митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущими к сдвигам в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетический эффект.) При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведёт к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов (см. Генетическое действие излучении). При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра (уплотнение хроматина), затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10 000-20 000 р наблюдаются изменение вязкости, набухание протоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.
Сравнительное изучение радиочувствительности ядра и цитоплазмы показало, что в большинстве случаев чувствительно к облучению ядро (например, облучение ядер сердечной мышцы тритона в дозе нескольких протонов на ядро вызвало типичные деструктивные изменения; доза в несколько тысяч раз большая не повредила цитоплазмы). Многочисленные данные показывают, что клетки наиболее радиочувствительны в период деления и дифференцировки: при облучении поражаются прежде всего растущие ткани. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей - растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.
Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. (Уменьшение способности облученного организма вырабатывать антитела и тем самым противостоять внедрению чужеродного белка используется при пересадке органов и тканей - перед операцией пациента облучают.) Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Биологическое действие ионизирующих излучений обусловливает нарушение половой функции и образования половых клеток вплоть до полного бесплодия (стерильности) облученных организмов. Важную роль в развитии лучевого поражения животных и человека играет нервная система. Так, у кроликов смертельный исход при облучении в дозе 1000 р часто определяется нарушениями в центральной нервной системе, вызывающими остановку сердечной деятельности и паралич дыхания. Исследования биоэлектрических потенциалов мозга облученных животных и людей, подвергающихся лучевой терапии, показали, что нервная система раньше других систем организма реагирует на радиационное воздействие. Облучение собак в дозе 5-20 р и хроническое облучение в дозе 0,05 р при достижении дозы в 3 р ведёт к изменению условных рефлексов. Большую роль в развитии лучевой болезни играют и нарушения деятельности желёз внутренней секреции.
Для Биологическое действие ионизирующих излучений характерно последействие, которое может быть очень длительным, т.к. по окончании облучения цепь биохимических и физиологических реакций, начавшихся с поглощения энергии излучения, продолжается долгое время. К отдалённым последствиям облучения относятся изменения крови (уменьшение числа лейкоцитов и эритроцитов), нефросклероз, циррозы печени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей (см. Бластомогенное действие излучений). Эти процессы связаны с нарушением обмена веществ и нейроэндокринной системы, а также повреждением генетического аппарата клеток тела (соматические мутации).
Растения, по сравнению с животными, более радиоустойчивы. Облучение в небольших дозах может стимулировать жизнедеятельность растений (рис. 4) - прорастание семян, интенсивность роста корешков, накопление зелёной массы и др. Большие дозы (20 000-40 000 р)вызывают снижение выживаемости растений, появление уродств, мутаций, возникновение опухолей. Нарушения роста и развития растений при облучении в значительной степени связаны с изменениями обмена веществ и появлением первичных радиотоксинов, которые в малых количествах стимулируют жизнедеятельность, а в больших - подавляют и нарушают её. Так, промывка облученных семян в течение суток после облучения снижает угнетающий эффект на 50-70%.
Лучевое повреждение организма сопровождается одновременно текущим процессом восстановления, который связан с нормализацией обмена веществ и регенерацией клеток. Поэтому облучение дробное или с малой мощностью доз вызывает меньшее повреждение, чем массивное воздействие. Изучение процессов восстановления важно для поисков радиозащитных веществ, а также средств и методов защиты организма от излучений. В небольших дозах все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения - космических лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей среды (см. Радиоактивность атмосферы, Радиоактивное загрязнение биосферы). Испытания атомного оружия и мирное применение атомной энергии повышают фон радиоактивный. Это делает изучение Биологическое действие ионизирующих излучений и поиски защитных средств всё более важными.
Биологическое действие ионизирующих излучений пользуются в биологических исследованиях, в медицинской и с.-х. практике. На Биологическое действие ионизирующих излучений основаны лучевая терапия, рентгенодиагностика, радиоизотопная терапия.
В сельском хозяйстве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемые плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранения продуктов растениеводства от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др.
Рис. 4. Зависимость числа проросших глазков картофеля сорта Лорх от дозы облучения.
Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 64; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!