Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

40

імунної відповіді. Радіаційно-індуковані модифікації імунної системи обумовлюють зміни характеру її взаємодії з іншими системами організму, перш за все – нервовою та ендокринною.

Всі органи травлення проявляють реакцію на іонізуюче опромінення. За ступенем радіочутливості вони розподіляються наступним чином: тонка кишка, слинні залози, шлунок, пряма та ободова кишки, підшлункова залоза, печінка.

До структурних елементів тонкої кишки відносяться крипти та ворсинки, які вкриті одношаровим епітелієм. На дні крипт знаходяться стовбурові клітини, поділ яких обумовлює фізіологічну регенерацію епітелію. У процесі поділу стовбурових клітин та подальшого їх визрівання - клітини рухаються по напрямку устя крипт, утворюючи проліферативно-визріваючий пул. По стінкам ворсинок, у напрямку верхівки рухаються уже функціональні клітини, які поступово старіють. Досягнувши вершини ворсинки ентероцити гинуть та злущуються у просвіт кишки. Найбільш радіочутливі – це стовбурові клітини тонкої кишки: більша їх частина гине при опроміненні в дозі 4–6 Гр. Проліферуючий та визріваючий пул крипт кишки більш стійкий до дії радіації (D0 клітин цього пула складає приблизно 3,8 Гр). Зрілі епітеліоцити ворсинок проявляють це більшу стійкість: значна їх кількість гине при дозах вище 15 Гр.

Найбільш суттєве у променевих змінах шлунково-кишкового тракта – швидке та глибоке спустошення тканин. Загибель епітеліальної вистілки тонкої кишки при γ-опроміненні відбувається уже в дозі 10 Гр (з цим пов’язана гибель організма після опромінення в дозах 10 - 20 Гр). Після опромінення в цьому діапазоні доз значна частина стовбурових клітин крипт гине за інтерфазним механізмом, інші гинуть після декількох поділів (репродуктивна форма клітинної гибелі). Внаслідок спустошення крипт преривається процес новоутворення та надходження на ворсинку епітеліоцитів, а оскільки проходження зрілих клітин по ворсинці та їх злущення протікає з нормальною швидкістю, спостерігається повне оголення ворсинок.

Слинні залози відповідають на дію іонізуючої радіації кількісними та якісними зрушеннями секреції. Інтенсивність її протікає хвилеподібно, при цьому з'являються речовини, які не властиві нормальній слині.

Секреція шлункових залоз при загальному опроміненні у малих дозах змінюється в залежності від стану: при гіперсекреції – знижується, гіпосекреції – зростає. Великі дози опромінення пригнічують шлункову секрецію та призводять до масових морфологічних змін – крововиливів, катарам, виразкам тощо.

структури підшлункової залози у залежності від дози опромінення: малі стимулюють утворення ферментів; великі – пригнічують виділення панкреатичного соку, знижують активність амілази, ліпази та викликають крововиливи, дегенеративні та некротичні процеси у залозистій тканині.

Враховуючи значення печінки, як „центральної біохімічної лабораторії” її бар’єрні функції, місцезнаходження на шляху відтоку крові із кишечника тощо, в радіобіології приділяється значна увага цьому органу. Показана його висока радіорезистентність, що пов’язано зі значною регенеративною активністю. Все ж таки, незважаючи на багаточисленні та глибокі біохімічні зміни у печінці опромінених тварин, не вони є причиною безпосередньої загибелі організму.

Радіаційні ураження центральної нервової системи являють собою детерміновані (нестохастичні) ефекти опромінення, що залежать від величини сумарної дози, її розподілення в часі та просторі, а також ступеню зрілості мозку на момент опромінення. Зріла нервова тканина складається із непроліферуючих високодиференційних клітин, тому високі резерви реактивності мозку на опромінення обумовлені переважно функціональними механізмами, тобто активацією існуючих, а не заново утворених структур, клітин та тканин.

Вирішальна роль центральної нервової системи в променевому ураженні організма проявляється за дії масованих доз іонізуючої радіації. На тотальне опромінення організму мозок реагує як єдиний багатотканинний орган: пряме ушкодження нейронних структур та порушення циркуляції, що пов'язано з пошкодженням стінок кровоносних судин, як правило протікають одночасно. Пошкодження капілярних судин проявляються у вигляді набрякання ендотеліальних клітин. На відміну від дорослого організму, мозок молодих тварин більш радіочутливий, ніж інші тканини організму. Опромінення плода у лоні матері навіть у невисоких дозах призводить до цілковитих руйнувань цілих його відділів. Це узгоджується з положенням, що радіочутливість клітин та тканин залежить від ступеня їх формування

різних ділянок, у тому числі і для сусідніх структур однотипних тканин мозку. Пояснюється це тим, що радіочутливими є ті мікроструктури, які в момент опроміненя знаходяться у активному функціональному стані. Найбільші зміни спостерігаються для

42

судинних та секреторних умовно-рефректорних реакцій, а найменші - для рухальних.

Порушення функціонування ендокринної системи призводить до глибоких змін регуляторних біохімічних процесів, імунобіологічних та нейровегетативних реакцій, розладу терморегуляції та діяльності багатьох органів та систем. До найбільш радіочутливих органів ендокринної системи відносяться статеві залози. Інші залози по мірі зростання радіостійкості (за морфологічними признаками) утворюють наступну послідовність: надниркова залоза, гіпофіз, щитоподібна залоза, островки підшлункової залози та паращитоподібна залоза.

Оцінка радіочутливості органів дихання доволі складна, оскільки вони містять клітинні структури, які значно відрізняютьсь по чутливості до дії іонізуючої радіації. Так, хрящова тканина повітроносних шляхів та плевра – відносно радіостійкі; лімфатична тканина та судинна система легень, а також бронхіальний епітелій та клітини, які вистилають альвеоли - радіочутливі. В результаті загального опромінення організма в органах дихання виникають зміни, які характерні для розвитку клінічних та анатомічних ознак променевої патології.

Реакція серцево-судинної системи на опромінення проявляється доволі рано. Змінюється ритм серцевого скорочення, спостерігаються гістохімічні та біохімічні зміни в міокарді. Опромінення в малих дозах викликає в судинах зміни їх тонуса та реактивності. Біохімічні та морфологічні зміни при опроміненні спостерігаються у всіх шарах судинної стінки. При дії середньолетальних та вищих доз відмічається гіалінове переродження волокон зовнішнього шару судин, зміни в ендотеліальних клітинах капілярів та мілких судин. У важких випадках спостерігаються склеротичні зміни в судинах.

Опромінення може викликати променеві опіки шкіри різного ступеня важкості. Якщо вражається лише епідерміс формується опік І (легкої) чи ІІ (середньої) важкості. При ураженні епідерміса та дерми розвивається опік ІІІ (важкого) ступеня. Коли опромінення зачіпає всі шари шкіри, а також інші анатомічні утворення (м’язи, сухожилля, кістки, суглоби) – це опік ІV (вкрай важкого) ступеня. На ступінь важкості променевого опіку впливає площа, глибина та локалізація опромінених тканин, а також величина поглиненої дози, потужність та проникаюча здатність опромінення. Так, α-частинки проникають у шкіру на декілька десятків мікрон та майже повністю поглинаються у роговому шарі. β-Частинки проникають глибше – до 2–4 мм, що обумовлює поглинення значної частини енергії у базальному шарі епідерміса, сальними та потовими залозами, кровоносними судинами

43

тощо. Рентгенівське, γ- та нейтронне випромінювання, для якого характерна висока проникаюча здатність, пошкоджує шкіру на всю глибину.

Ранні ефекти місцевих радіаційних пошкоджень (первинна та вторинна еритеми, набряки тощо) в основному пов'язані із пошкодженням епідерміса, а більш пізні – із пошкодженням дерми та глибших шарів шкіри.

Деякі органи та тканини умовно називають стабільними, у зв’язку із їх високою радіостійкістю: морфологічні, функціональні та біохімічні зміни в них навіть після опромінення у високих дозах незначні. Однак, післяпроменеві зміни в цих органах все ж вносять певний внесок у загальну картину променевої патології. При загальному опроміненні тварин зміни у м’язах наступають уже в ранній період променевої хвороби. Відносно високою радіаційною стійкістю володіють кісткова та хрящова тканини. Однак, у молодих нестатевозрілих організмів вони чутливі до дії іонізуючих випромінювань. Відрізняють наступні види променевих пошкоджень кісток: остеопорози, остеонекрози та остеомеліти, які можуть ускладнюватись переломами, вивихами тощо. Особливо виразні зміни появляються при потраплянні до організму радіоізотопів, що інкорпоруються в цих тканинах.

3.7. Дія іонізуючої радіації на рівні організму

Уорганах і тканинах біологічних об'єктів при опроміненні в результаті поглинання енергії йдуть процеси іонізації та збудження атомів. Ці процеси лежать в основі формування біологічної стадії дії випромінювань. Біологічна ефективність іонізуючих випромінювань надзвичайно висока. По глибині та силі впливу на організми іонізуюча радіація значно перевершує всі відомі види випромінювань. До такого висновку прийшли ще напочатку минолого сторіччя, коли вперше піддали опроміненню різні види тварин. Водночас, ще на початку радіобіологічних досліджень було встановлено, що різні біологічні об'єкти володіють різною стійкістю (радіостійкістю) до пошкоджуючого впливу іонізуючої радіації.

Діапазон стійкості до дії іонізуючої радіації у живій природі надзвичайно широкий. Найбільш стійкі до дії радіації мікроорганізми – дози, які здатні викликати їх загибель складають сотні і тисячі грей. Для безхребетних тварин діапазон летальних доз, як правило на порядок нижче; для хребетних вони складають

44

десятки грей, а найрадіочутливіші – ссавці (табл. 3.7). Таким чином, із ускладненням біологічної організації організмів, їх стійкість дії радіації різко знижується.

Таблиця 3.6. Радіочутливість різних організмів

45

Радіаційну чутливість тварин виражають величинами ЛД50/30 та ЛД100/30 (ЛД – летальна доза) – це мінімальна доза опромінення, яка викликає смерть відповідно 50% та 100% опромінених тварин протягом 30 діб.

Велике значення для радіаційної чутливості має вік (рис. 3.17), фізіологічний стан, інтенсивність обмінних процесів організму, а також умови опромінення. При цьому, окрім величини дози опромінення, має суттєве значення потужність, ритм та характер опромінення (одноразове, фракціоноване, хронічне, зовнішнє, внутрішнє, загальне тощо), його фізичні особливості, які визначають глибину проникнення енергії до організму (рентгенівське та γ- опромінення проникає на більшу глибину, -частини до 40 мкм, β- частини – на декілька мм), щільність іонізації (під дією -частин вона найбільша). Всі ці особливості визначають відносну біологічну ефективність (ВБЕ) випромінювання.

У випадку потрапляння до організму радіоактивних ізотопів, важливе значення має їх хімічна характеристика, що визначає участь ізотопу в обміні речовин, концентрацію в тому чи іншому органі, а, відповідно, і характер опромінення.

47

низьких та малих дозах. В інтервалі дії сублетальних, особливо летальних доз, прояв радіаційно-індукованих змін має характерні риси та монотонну дозозалежність (див. розділ 3.4.). В діапазоні малих доз прояв біологічних ефектів на основі досліджень субклінічних показників має немонотонний характер (S-подібний вигляд). Представлена на рис. 3.15 схема прояву біологічних ефектів внаслідок зовнішнього тотального разового опромінення організмів у малих, нелетальних дозах свідчить про існування як ефектів стимуляції, так і пошкоджень. Вона являється лише ілюстрацією відповідної реакції біологічних об”єктів на опромінення. Чисельні значення фізичних величин діапазону малих доз для різних організмів значно відрізняються. Так, для ссавців умовна границя для „низьких” та „середніх” сублетальних доз дорівнює 1-2,5 Гр

(рис.3.15, ІV ).

Характерна ознака динаміки ефектів опромінення в малих дозах – нелінійна залежність радіобіологічних змін від величини дози опромінення. Виділяють декілька діапазонів махих доз:

природній радіаційний фон (рис.3.15, ПРФ);

надмалі дози (рис.3.18, І), ефект від дії яких (при 1-3 разовому збільшенні величини ПРФ) проявляється на чисельних клітинах та багатоклітинних організмах. Феномен надмалих доз отримав назву „ефект дзвона”, що обумовлено змінами у протіканні конкурентних процесів пошкодження та репарації, у тому числі зрушенням окисно-відновної рівноваги у рослинних та тваринних клітинах, клітинних мембранах і тканинах. Ці зміни спостерігаються як за короткочасного, так і пролонгованого опромінення у надмалих дозах;

так звані малі дози (рис.3.18, ІІ) – викликають стимуляцію життєвоважливих процесів – „гормезис”;

сублетальні дози (рис.3.15, ІІІ) – викликають розвиток структурно-функціональних пошкоджень.

49

результаті перетині мішені - квантом або частинкою. Трековий підхід у розгляді можливих ушкоджень організму іонізуючою радіацією обґрунтовує той факт, що іонізаційні треки ніколи не бувають нешкідливими для тих клітин, через які вони проходять, і для організму в цілому.

За визначенням Наукового комітету ООН з дії атомної радіації (UNS CEAR) малі дози опромінення становлять 0,2 Гр для іонізуючого випромінювання з низьким значенням ЛПЕ (див. розділ 1) та 0,05 Гр

– із високим значенням ЛПЕ за потужності поглинної дози порядку 0,05 Гр/хв з огляду на еквівалентну дозу малою дозою вважається та, яка відповідає сумарній дозі 0,2 3в та потужності дози, що нижча 0,1 м3в/хв.

В медичній практиці малими дозами вважають дози в діапазоні 0,5 – 1,0 Гр за дії яких не виявляються явні ефекти ураження.

За іншим визначенням, малими називаються дози, які не більше ніж в 10–100 разів перевищують значення доз, що обумовлені природним радіоактивним фоном. Для визначення дози опромінення людини від природних джерел радіоактивності існує кілька підходів:

Проводиться оцінка на основі визначення усередненого природного фону, медичної діагностики, радіоактивних опадів внаслідок ядерних вибухів, опромінення від споживчих товарів, викидів АЕС (табл. 3.8).

Проводиться оцінка доз опромінення від космічного і земного випромінювання, інкорпорованих в організмі радіоізотопів з урахуванням радону (табл. 3.9). Що за першого або другого підходу середньорічні дози опромінення людини відповідають близько 2,4 мЗв/рік. Таким чином дози, які перевищують це значення в 10–100 разів – 24–240 мЗв/рік.

Враховується керована і некерована компоненти природного випромінювання (табл. 3.10). У цьому випадку сумарна річна еквівалентна доза становить 4,88 мЗв/рік, що тільки у 2 рази більша, ніж за оцінками, які наведені вище.

Таблиця 3.8. Джерела опромінення та середньорічні еквівалентної дози опромінення людини