Радиационные синдромы у млекопитающих

↑Продолжительность жизни после облучения

Облучение ионизирующим излучением при достаточно высоких дозах вызывает гибель облученных организмов. Эта гибель происходит не сразу, а через определенные сроки после облучения, т.е. облучение фактически вызывает сокращение продолжительности жизни.

Впервые детальные исследования зависимости средней продолжительности жизни (СПЖ) погибших животных от дозы облучения были проведены в 1940-50-х годах Б. Раевским в экспериментах на мышах, подвергнутых общему однократному облучению рентгеновским излучением. Оказалось, что зависимость СПЖ погибших мышей от дозы облучения представляет собой характерную трехкомпонентную кривую (рис. 1).

Начальная часть кривой (участок I), охватывающая интервал доз примерно от 3-4 Гр до 10 Гр, соответствует изменению СПЖ погибших животных от 20 до 6 суток (необлученные мыши живут примерно 1,5 года).

В диапазоне доз от 10 Гр до 100 Гр (участок II) СПЖ составляет 3-5 суток (в среднем 3,5 суток) и мало зависит от величины дозы. Этот участок кривой получил название «плато Раевского», а сам эффект независимости СПЖ от величины дозы – «эффект Раевского».

При дозах выше 100 Гр (участок III) СПЖ опять становится зависимой от дозы облучения и снижается от 3 суток до нескольких часов.

Для других видов млекопитающих общий трехкомпонентный характер зависимости СПЖ от дозы облучения в целом сохраняется, хотя дозовые и временные границы характерных участков этой кривой могут несколько сдвигаться. Возможен и более сложный характер этой зависимости. Например, у человека и обезьян наблюдается пятикомпонентная кривая, имеющая 2 плато – в интервале от 2,5 до 6 Гр и от 10 до 30 Гр. СПЖ в этих дозовых интервалах составляет примерно 40‑45 и 8‑15 сут., соответственно.

При дозах свыше 1000 Гр животные гибнут практически сразу после облучения – это т.н. «смерть под лучем».

При дозах от 1 до 3 Гр СПЖ у лабораторных животных (мышей и крыс) понижена на 2‑5% на каждый грей по сравнению с нормой.

Наличие сложной зависимости СПЖ от дозы облучения связано с тем, что гибель облученных млекопитающих в каждом из дозовых диапазонов происходит в результате поражения вполне определенных жизненно важных систем или органов. Жизненно важные системы организма или его органы, нарушение функционирования которых определяет летальный исход лучевого поражения или причиняет наибольший вред для организма или его потомства в конкретных условиях лучевого воздействия, получили название «критических».

В диапазоне доз от 3-4 до 10 Гр основной поражаемой в организме мелких лабораторных животных (мышей и крыс) системой, нарушение которой определяет летальный исход (т.е. критической системой), является система кроветворения. Поэтому тип лучевого поражения, характерный для этого дозового интервала, получил название «кроветворного», или «костномозгового синдрома» (термин синдром означает совокупность симптомов с единым патогенезом).

В диапазоне доз от 10 до 100 Гр гибель происходит вследствие поражения слизистой кишечника – это т.н. «кишечный», или «желудочно-кишечный синдром».

При дозах, превышающих 100 Гр у млекопитающих развивается «церебральный», или «ЦНС-синдром», обусловленный поражением центральной нервной системы.

Рассмотрим более подробно наиболее часто встречаемые лучевые синдромы – костномозглвой и кишечный.

↑Кроветворный (костномозговой) синдром

Кроветворением (гемопоэзом) называют процесс образования, развития и созревания клеток крови – эритроцитов (эритропоэз), тромбоцитов (тромбоцитопоэз) и лейкоцитов (лейкоцитопоэз), в том числе гранулоцитов (нейтрофилов, эозинофилов и базофилов) и агранулоцитов ( лимфоцитов и моноцитов). Система кроветворения включает органы, главной функцией которых является осуществление процесса кроветворения. У млекопитающих к кроветворным органам относят костный мозг, селезенку, тимус (вилочковую, или зобную железу), лимфатические узлы. Основным кроветворным органом является костный мозг, обеспечивающий продуцирование всех форменных элементов крови.

У взрослого человека и крупных животных костный мозг составляет 4‑5% от веса тела, причем примерно половина приходится на т.н. красный костный мозг, который собственно и обладает гемопоэтической (т.е. кроветворной) функцией. Другая часть – желтый костный мозг, большую часть которого представляют жировые клетки, не осуществляет кроветворной функции. Однако, при увеличении потребности организма в клетках крови желтый костный мозг может замещаться красным костным мозгом.

Красный костный мозг расположен в губчатом веществе плоских костей (грудине, ребрах и других), эпифизах длинных трубчатых костей, телах позвонков. Желтый костный мозг расположен в диафизах трубчатых костей (за исключением верхней трети бедра) и в плоских костях, где его содержится примерно столько же, сколько и красного костного мозга. У новорожденных детей практически все костномозговые полости содержат красный костный мозг. У грызунов такое распределение костного мозга сохраняется в основном и у взрослых особей.

Селезенка у взрослого человека продуцирует лимфоциты и моноциты. У некоторых млекопитающих селезенка осуществляет также эритропоэз. В тимусе и в лимфатических узлах происходит продукция лимфоцитов.

Костный мозг обеспечивает также поставку кроветворных стволовых клеток для других гепопоэтических (кроветворных) органов. Кроветворные стволовые клетки представляют собой самоподдерживающуюся популяцию полипотентных клеток, являющихся предшественниками всех клеток крови. Стволовые клетки являются ключевым элементом кроветворения – сложного процесса, заключающегося в серии клеточных дифференцировок, которые осуществляются посредством многочисленных клеточных делений и приводят, в конечном итоге, к образованию зрелых клеток крови.

Именно тот факт, что кроветворная ткань представляет собой популяцию активно пролиферирующих клеток, определяет высокую чувствительность системы кроветворения к действию ионизирующих излучений. Еще в 1906 г. французские исследователи Ж. Бергонье и Л. Трибондо сформулировали положение, известное сейчас как «правило (или закон) Бергонье–Трибондо», согласно которому поражающее действие ионизирующего излучения на клетки тем выше, чем большей репродуктивной способностью (или, иными словами, пролиферативной активностью, т.е. способностью к размножению путем митоза) обладают эти клетки и чем длительнее период их деления (митоза). Сейчас является твердо установленным, что процесс деления клеток является очень радиочувствительной клеточной функцией. Нарушение способности к делению приводит клетки к гибели.

В зависимости от того, в какой период времени после облучения клеток происходит их гибель, выделяют 2 основные формы клеточной гибели. Если гибель облученных клеток происходит еще до вступления в процесс митоза (т.е. деления), то такую гибель называют «интерфазной». Если гибель клеток происходит во время первого или нескольких последующих после облучения митозах, то такую гибель называют «репродуктивной», или «митотической». Для большинства клеток основной формой гибели является репродуктивная гибель, главная причина которой связана с радиационными повреждениями хромосом – появлением т.н. хромосомных аберраций.

Митотическую гибель активно пролиферирующих клеток вызывают дозы порядка нескольких грей, тогда как для интерфазной гибели в большинстве случаев необходима гораздо более высокая доза облучения – порядка нескольких десятков грей.

Стволовые и малодифференцированные делящиеся клетки костного мозга, обладающие высокой пролиферативной активностью, проявляют, в соответствии с правилом Бергонье–Трибондо, высокую радиочувствительность. Например, при облучении мышей в дозах 1‑2 Гр гибнет от 50 до 80% стволовых клеток, а при полулетальной дозе (ЛД₅₀), составляющей для мышей примерно 5‑6 Гр, пролиферативную способность сохраняют только 2‑3 стволовые клетки из тысячи. Гибель стволовых и малодифференцированных клеток костного мозга является по форме, в основном, репродуктивной и происходит уже в первые 1‑2 сут. после облучения. Кроме того, происходит временная приостановка (на несколько часов) деления даже тех клеток, которые в дальнейшем не гибнут. С другой стороны, зрелые дифференцированные клетки костного мозга, а также клетки, находящиеся в состоянии созревания (т.е. уже не делящиеся), обладая значительно более высокой радиоустойчивостью, не погибают при дозах облучения порядка нескольких грей и продолжают поступать в периферическую кровь с обычной скоростью.

В результате постлучевой гибели клеток общее количество клеток костного мозга многократно снижается, происходит т.н. опустошение костного мозга. При облучении мышей в дозе ЛД₅₀ общее содержание клеток костного мозга в каком-либо костном объеме (например, в бедренной кости) снижается более, чем в 10 раз на 4‑8 сутки, некоторое время сохраняется на этом минимальном уровне и в последующие сроки медленно восстанавливается у выживших животных. Облучение вызывает опустошение и других кроветворных органов. Например, у мышей в результате такого опустошения вес селезенки снижается в 1,5‑2 раза.

В результате опустошения костного мозга и других кроветворных органов начинают происходить изменения в картине периферической крови. Общая тенденция заключается в уменьшении количества всех типов клеток крови. При этом, однако, у различных форменных элементов крови это снижение осуществляется с разной скоростью и может быть осложнено временными подъемами в некоторые сроки после облучения.

Нейтрофилы. У всех исследованных видов млекопитающих в первые часы после острого облучения количество нейтрофилов в периферической крови возрастает (т.н. нейтрофильный лейкоцитоз, или нейтрофильный гранулоцитоз) (рис. 2). Причины этого подъема, по-видимому, связаны с выбросом нейтрофилов из тканевых депо, т.е. органов и тканей, способных накапливать значительное количество этих клеток и при необходимости возвращать их в кровяное русло. Затем постепенно происходит снижение уровня нейтрофилов ниже нормы (нейтрофильная лейкопения, нейтрофильная гранулоцитопения, или нейтропения). Часто снижение содержания нейтрофилов прерывается временным повышением их уровня – т.н. абортивным подъем. Чем выше доза облучения, тем менее выражен абортивный подъем. За абортивным подъемом следует период основного снижения количества нейтрофилов. У многих видов млекопитающих наиболее глубокая нейтропения наступает на 4‑14 сутки (у человека – на 4–5 неделе) после облучения в полулетальной дозе. Уровень нейтрофилов в эти сроки снижается в 5‑15 раз ниже нормы. Наблюдаемое снижение количества нейтрофилов связано с тем, что время жизни этих клеток в крови в норме составляет 4‑16 сут., а продуцирование их красным костным мозгом подавлено. Наступление периода восстановления уровня нейтрофилов в крови свидетельствует о начале выздоровления организма.

Как известно, основная функция нейтрофилов заключается в защите организма от инфекции, что осуществляется посредством их фагоцитарной способности, а одной из причин гибели млекопитающих при облучении в диапазоне доз, соответствующих кроветворному синдрому, является развитие инфекции. При этом сроки гибели организма при кроветворном синдроме хорошо совпадают со сроками развития наиболее глубокой нейтропении. Поэтому, считают, что именно глубокая нейтропения является основной причиной развития инфекции у млекопитающих, облученных в этом диапазоне доз, и их гибели.

Тромбоциты. Динамика изменения количества тромбоцитов в периферической крови в основном повторяет динамику изменения нейтрофилов, за исключением первоначального подъема, который в случае тромбоцитов обычно полностью отсутствует, и несколько менее выраженного абортивного подъема (рис. 3).

Падение количества тромбоцитов в крови, время жизни которых в норме для разных видов млекопитающих составляет 4‑9 суток, связано с прекращением образования в костном мозге мегакариоцитов, в результате фрагментации которых и образуются тромбоциты. При облучении в летальных дозах у всех видов млекопитающих в терминальный период лучевого поражения наблюдается глубокая тромбопения (тромбоцитопения), характеризующаяся 10‑20-кратным падением количества тромбоцитов.

Известно, что тромбоциты в норме играют важную роль в системе свертывания крови и обеспечении прочности капилляров. Глубокое понижение количества тромбоцитов хорошо коррелирует по времени с лучевыми геморрагическими проявлениями (т.е. кроветечениями). Это дает основание считать, что тромбопения играет значительную роль в лучевом нарушении прочности капилляров и возникновении кровотечений, что способствует проникновению бактерий в кровь и, таким образом, развитию инфекции.

Лимфоциты. Наиболее чувствительными к действию ионизирующих излучений клетками крови являются лимфоциты. При облучении крыс в полулетальной дозе уже в первые часы наблюдается значительное снижение числа лимфоцитов в периферической крови (т.н. лимфопения, или лимфоцитопения), а через 1 сутки их количество достигает минимального уровня, снижаясь в 100 раз ниже нормы (рис. 4). Даже доза 0,25 Гр вызывает заметное уменьшение числа лимфоцитов.

Так как в норме время жизни лимфоцитов в крови колеблется от нескольких дней до нескольких месяцев, то такая быстрая реакция лимфоцитов крови на облучение связана не с нарушением их продуцирования кроветворными органами, а с их непосредственной высокой радиочувствительностью (несмотря на то, что они являются зрелыми клетками). Таким образом, лимфоциты, интерфазная гибель которых происходит при относительно низких дозах облучения, являются одним из исключений из правила Бергонье–Трибондо.

Постепенное восстановление числа лимфоцитов в крови начинается уже через 2‑10 дней после облучения. Считают, что лимфопения не играет существенной роль в гибели млекопитающих, т.к. количество лимфоцитов в крови в период гибели животных уже заметно восстанавливается.

Эритроциты. Содержание эритроцитов в периферической крови млекопитающих после облучения даже в летальных дозах снижается медленно. В целом снижение содержания эритроцитов в крови происходит со скоростью примерно 1% в сутки (рис. 5). Медленный характер снижения содержания эритроцитов связан, главным образом, с относительно высокой продолжительностью их жизни в крови – в норме у многих млекопитающих она составляет примерно 100 сут. (у человека 120‑130 сут.).

В постлучевом развитии анемии (состояния, при котором в крови снижено общее содержание гемоглобина, обычно при одновременном уменьшении общего числа функционально полноценных эритроцитов) принимают участие 3 фактора:

1. прекращение продуцирования эритроцитов костным мозгом (практически полное прекращение эритропоэза в течение 2‑3 недель после облучения в летальных дозах), о чем свидетельствует быстрое исчезновение из периферической крови ретикулоцитов, в форме которых молодые созревающие эритроциты поступают в кровь;
2. внутренние кровоизлияния (геморрагии) в различные жизненно-важные органы (в мозг, сердце, легкие, желудочно-кишечный тракт, кожу и другие). Геморрагический синдром развивается в период выраженных лучевых изменений. В целом кровоизлияния вносят относительно небольшой вклад в развитие анемии за исключением терминального периода крайне тяжелых случаев, где они могут играть ведущую роль в развитии летального исхода;
3. ускоренное разрушение облученных эритроцитов, вследствие снижения их устойчивости к гемолизу.

После острого облучения в большинстве случаев анемия к моменту гибели организма не успевает развиться до тяжелой формы (50%-ное и более глубокое снижение содержания гемоглобина) и, следовательно, не является причиной гибели. Однако, при действии хронического облучения тяжелая анемия может развиться и стать причиной гибели организма.

Итак, при костномозговом синдроме основными непосредственными причинами смерти являются развитие инфекции и кровоизлияния, которые происходят в результате глубокого снижения в крови нейтрофилов и тромбоцитов. Инфекция и кровоизлияния затрагивают практически каждый орган. В результате этого гибель организма при костномозговом синдроме связана с обширным повреждением многих органов.

↑Кишечный (желудочно-кишечный) синдром

Кишечником называется часть пищеварительного тракта, начинающаяся после желудка и заканчивающаяся заднепроходным отверстием. Кишечник включает тонкую кишку, толстую кишку, прямую шпаку. Наиболее радиочувствительным отделом кишечника является тонкая кишка. Нарушение функционирования тонкой кишки играет исключительно важную роль в радиационном поражении. Тонкая кишка начинается от желудка и впадает в толстую кишку. Общая ее длина у человека в среднем составляет 5‑7 м. Основная функция тонкой кишки – переваривание и всасывание пищи.

В тонкой кишке различают 3 переходящие друг в друга отдела:

1. расположенную сразу после желудка двенадцатиперстную кишку,
2. тощую кишку и
3. подвздошную кишку.

Структура этих 3 отделов тонкой кишки, хотя и имеет некоторые различия, в основном одинакова. Стенка тонкой кишки состоит из

1. слизистой оболочки (или просто слизистой),
2. подслизистой основы и
3. мышечной оболочки.

В функциональном отношении основной оболочкой тонкой кишки является слизистая.

Для увеличения всасывающей поверхности в слизистой имеются

1. круговые складки,
2. кишечные ворсинки и крипты и
3. микроворсинки.

Круговые складки расположены перпендикулярно к оси кишки и образованы как слизистой, так и подслизистой основой.

Кишечные ворсинки представляют собой пальцевидные выпячивания слизистой, покрытые однослойным эпителием и имеющие внутри сеть кровеносных и лимфатических капилляров (рис. 6). Наибольшее количество ворсинок находится в тощей кишке и здесь они самые длинные (у человека 30-40 ворсинок на 1 мм², длина – до 1,2 мм²). В двенадцатиперстной и подвздошной кишке они короче (до 0,7 мм) и расположены реже (10‑30 ворсинок на 1 мм²).

У основания ворсинок расположены т.н. кишечные крипты (другое название – Либеркюновы железы), которые представляют собой трубчатые углубления в слизистой, выстланные эпителием. На дне крипт находятся железистые клетки, продуцирующие кишечные ферменты, и генеративные (стволовые) клетки, предназначенные для восполнения эпителиальных клеток крипт и ворсинок.

Пул эпителиальных клеток включает несколько типов клеток, имеющих особенности в расположении и функциях. Большая часть эпителиальных клеток ворсинок представлена каемчатыми эпителиоцитами, клеточная мембрана которых имеет со стороны просвета кишки множество плотнорасположенных выростов – микроворсинок (высотой до 2 мкм, общее количество – 4000 на клетку).

Благодаря наличию складок слизистой, ворсинок и микроворсинок общая всасывающая поверхность тонкой кишки постигает у человека 400‑500 м².

Клетки крипт и относящихся к ним ворсинок образуют единую систему обновления клеток, находящуюся в состоянии устойчивого равновесия. Область клеточной пролиферации расположена на стенках крипты. Клетки, постепенно делясь и созревая, мигрируют вверх по криптам к основанию ворсинок и далее в виде зрелых функционирующих клеток – к верхушке ворсинок, откуда происходит постоянное слущивание эпителиальных клеток в просвет кишки. Процесс пролиферации и созревания клеток занимает 0,5‑4 суток (в зависимости от вида млекопитающих). Время прохождения клеток от основания ворсинки до их слущивания с верхушки ворсинки (т.е. время существования функционально зрелых клеток эпителия) варьирует для разных отделов тонкой кишки и составляет ориентировочно у человека 3‑4 суток, у крысы – 2‑3 суток, у мыши – 1‑2 суток. По сравнению с другими частями желудочно-кишечного тракта обновление клеток в тонкой кишке происходит наиболее быстро.

Таким образом, эпителиальные клетки ворсинок и крипт тонкой кишки представляют собой популяцию интенсивно пролиферирующих клеток, находящуюся в состоянии постоянного обновления. Следовательно, в соответствии с правилом Бергонье–Трибондо, клетки слизистой тонкой кишки (а точнее – активно пролиферирующие клетки, расположенные в криптах) являются весьма радиочувствительными.

Стволовые клетки слизистой кишечника менее чувствительны к действию ионизирующих излучений, чем кроветворные стволовые клетки, но пролиферация клеток слизистой осуществляется быстрее, чем кроветворных клеток. Поэтому поражение (гибель) клеток крипт кишечника происходит при более высоких дозах облучения, но в более ранние сроки после облучения, чем это характерно для кроветворных клеток. Более раннему проявлению радиационного эффекта способствует также тот факт, что в поражение эпителия слизистой кишечника вносит существенный вклад не только репродуктивная, но и интерфазная гибель клеток. В результате после облучения в дозах, превышающих 10 Гр, практически полное опустошение крипт осуществляется на 1‑2 сутки, а ворсинок – на 3‑4 сутки. Наиболее радиочувствительным отделом тонкой кишки является двенадцатиперстная кишка.

Опустошение эпителия слизистой тонкой кишки приводит 1) к резкому подавлению процессов всасывания питательных веществ в тонкой кишке, 2) к нарушению баланса жидкостей и электролитов, 3) к развитию инфекции вследствие поступления в кровь и затем в различные органы и ткани кишечных бактерий.

Эти последствия повреждения кишечника совместно с последствиями подавления кроветворения дают комплекс радиационных нарушений, получивший название «кишечный синдром» лучевого поражения.

Для кишечного синдрома характерны такие проявления как анорексия (полная потеря аппетита), обильная диаррея (понос) в простой или кровавой форме, рвота, потеря веса, непереваривание пищи, глубокое обезвоживание, уменьшение количества натрия в организме, вялость и слабость. При относительно высоких дозах отмечаются также геморрагические явления в желудочно-кишечном тракте. Важными для летального исхода могут быть такие механизмы кишечного синдрома как инфекция, нарушение баланса жидкостей и электролитов, поражение кровеносных сосудов. Какая из этих причин вносит наибольший вклад в гибель организма определить трудно. Гибель большинства млекопитающих при кишечном синдроме наступает через 3‑5 суток (в среднем – 3,5 суток), у человека – через 8‑15 суток.

Необходимо отметить, что снижение количества клеток эпителия слизистой тонкой кишки наблюдается и при более низких дозах облучения, не приводящих к развитию кишечного синдрома. Уменьшение числа клеток слизистой можно наблюдать даже при дозе облучения 1‑2 Гр. Однако, при таких относительно низких дозах облучения клеточность слизистой снижается не очень глубоко и быстро восстанавливается до нормального уровня.

↑Заключение

Рассмотренные выше кроветворный и кишечный синдромы лучевого поражения дают яркий пример того, что наиболее поражаемыми радиацией (т.е. радиочувствительными) жизненно важными системами в организме являются ткани, представляющие популяции активно пролиферирующих клеток. Именно в таких тканях облучение вызывает катастрофическое снижение численности клеток, приводящее организм к гибели. И наоборот, ткани, состоящие из непролиферирующих клеток (например, нервная ткань) являются гораздо более устойчивыми к действию облучения (т.е. радиорезистентными). Пример этому – церебральный синдром лучевого поражения, обусловленный поражением центральной нервной системы и развивающийся лишь при огромных дозах облучения.

↑Рекомендуемая литература

Ярмоненко С.П., Вайнсон А.А. Радиобиология человека и животных. Учеб. пособие / Под ред. С.П. Ярмоненко. – М.: Высшая школа, 2004.– 550 с.

Бонд В., Флиднер Т., Аршамбо Д. Радиационная гибель млекопитающих. Нарушение кинетики клеточных популяций / Пер. с англ. – М.: Атомиздат, 1971.– 318 с.

Сравнительная клеточная и видовая радиочувствительность / Пер. с англ. Под ред. В. Бонда и Т. Сугахары. – М.: Атомиздат, 1974. – 198 с.