Желудочно-кишечный синдром

Причиной гибели млекопитающих животных и человека, при облучении в дозах превышающих 10 Зв, является поражение желудочно-кишечного тракта. Наиболее радиочувствительным органом в системе желудочно-кишечного тракта является тонкий кишечник. После облучения наблюдается опустошение клеток ворсинок и крипт кишечника. Протекающие при этом процессы аналогичны процессам, рассмотренным выше для клеток крови и красного костного мозга, однако, с другими количественными характеристиками. Дегенеративная и регенеративная фазы у клеток кишечного тракта более кратковременны, чем у клеток крови и красного костного мозга. Стволовые клетки желудочно-кишечного тракта дифференцируются и созревают значительно быстрее, чем клетки крови. Так, если среднее время созревания для разных типов клеток крови составляет 3 – 8 суток, то для клеток желудочно-кишечного тракта - всего 42 – 55 часов. При этом стволовые клетки кишечника более устойчивы к облучению, чем стволовые клетки красного костного мозга. Среднелетальные дозы для первой группы клеток составляют D₃₇ = 4-6 Гр, для второй группы -D₃₇ = 1 Гр. В радиационном поражении эпителия кишечника значительную роль играет и интерфазная гибель клеток сразу после облучения. Поэтому опустошение клеток кишечника происходит очень быстро, у мышей, например, крипты тонкого кишечника, опустошаются за 1 – 2 сутки, ворсинки – за 3 – 4 суток. В течение этого срока наблюдается гибель большинства животных при выраженных проявлениях желудочно-кишечного синдрома. При облучении в меньших дозах, вызывающих кроветворный синдром, происходит интенсивное восстановление клеток кишечника, которое полностью заканчивается к 5-6 суткам после облучения.

Таким образом, гибель животных при дозах, вызывающих желудочно-кишечный синдром, определяется в первую очередь, опустошением ворсинок и крипт кишечника. Это приводит к нарушению функционирования пищеварительной и выделительной систем, нарушению баланса жидкостей в организме. Все эти процессы сопровождаются поражением кровеносных сосудов, кровоизлияниями и развитием инфекционных процессов. Определить, какой из этих процессов вносит наиболее существенный вклад в летальный исход животного, практически невозможно. Опыты с облучением животных в стерильных условиях свидетельствуют о важной роли инфекционных процессов в гибели животных.

Церебральный синдром

Действие ионизирующих излучений на клетки центральной нервной системы принципиально отличается от их действия на клетки красного костного мозга и кишечника. При облучении центральной нервной системы практически отсутствуют потери за счет репродуктивной гибели клеток. Как известно, нервная ткань, в основном, состоит из высокодифференцированных клеток, не способных к делению. Соответственно, нервные клетки характеризуются и высокой радиоустойчивостью. Интерфазная гибель нейронов происходит при очень высоких дозах излучения, порядка нескольких сотен Грей. Причем, неизвестно, является ли причиной гибели непосредственное повреждение нервных клеток вследствие облучения, или же гибель клеток опосредована повреждением других систем, в первую очередь, кровеснабжающих сосудов.

Таким образом, в радиобиологии человека и животных, выделяют три основных критических органа (систем), ответственных за гибель организма при однократном тотальном облучении. Однако, при других способах и условиях облучения, критическим органом может стать любой орган или любая ткань, поглотившие определенную дозу ионизирующего излучения. С этих позиций рассмотрим радиочувствительность основных органов человека.

Радиочувстительность отдельных тканей, органов человека

Кожный покров. Клетки кожи активно обновляются и поэтому покровные ткани человека очень чувствительны к действию радиации. Однако, высокая пролифирирующая активность стволовых клеток кожи обеспечивает их высокую регенеративную способность и соответственно, эпидермальные клетки хорошо восстанавливают сублетальные повреждения. Так, значение D_q для этих клеток составляет около 5 Гр, тогда как для кроветворных клеток она равняется всего 0,5 Гр. При однократном облучении рентгеновским излучением кожа человека переносит без видимых симптомов поражения дозы до10 Гр. При более высоких дозах облучения возникают видимые повреждения - дерматиты и язвенные поражения кожи.

Органы зрения. Облучение органов зрения млекопитающих относительно невысокими дозами ( до 3 Гр) приводит к возникновению воспалительных процессов в склере и коньюктиве. Более высокие дозы (3-10 Гр) вызывают катарактогенные процессы. Катаракта (помутнение хрусталика глаза) у человека наступает при дозах больше 6 Гр. Особенно опасны в этом отношении нейтронное облучение, эффективность которого в несколько раз выше, чем у рентгеновского и g-излучений. Помутнение хрусталика глаза при облучении является первичным диагностическим признаком для определения поглощенной дозы. Причины образования катаракты при облучении полностью не выяснены.

Пищеварительная система. Как отмечалось выше, наиболее радиочувствительным органом этой системы является тонкий кишечник. Поражение клеток тонкого кишечника, в первую очередь, и обуславливает проявление желудочно-кишечного синдрома. Остальные органы пищеварительной системы по убыванию радиочувствительности располагаются в следующем порядке: полость рта, язык, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень. Как видно, наиболее устойчивым органом пищеварительной системы является печень. Так, при однократном локальном облучении печени крыс в дозах до 15 Гр, в клетках не удается обнаружить никаких морфологических изменений. По данным ряда исследователей , значение D₀ для клеток печени крыс составляет около 90 Гр.

Сердечно-сосудистая система. Влияние ионизирующего излучения на сердечно-сосудистую систему мало изучено. Показано, что морфологические изменения в миокарде обнаруживаются при однократном рентгеновском облучении в дозах 5 - 10 Гр. При дозах 15 -20 Гр происходит образование тромбов в сосудах сердца. Кровеносные сосуды более радиочувствительны, чем мышечная ткань сердца. Даже при относительно невысоких дозах электромагнитного излучения наблюдается эритема кожи, вследствие поражения кровеносных сосудов. Показано, что кровеносные сосуды кожи при дозах 4-10 Гр теряют способность к образованию капилляров. Высокую радиочувствительность кровеносных сосудов обуславливается повреждением наружного слоя сосудистой стенки из-за изменений в структуре белка коллагена.

Органы дыхания. Легкие взрослых особей млекопитающих, в т.ч. и человека - стабильный орган с низкой пролиферативной активностью клеток. Поэтому этот орган является относительно радиоустойчивым. Так, при локальном облучении грудной клетки в относительно высоких дозах ( 10-20 Гр) мыши погибают через 100 -150 суток от легочных пневмонитов. LD_50/160 для мышей при однократном тотальном облучении составила 13 Гр, при 20-ти кратном фракционированном облучении этот показатель возрастает до 45 Гр. Морфологические изменения в тканях легких при облучении в дозе 20 Гр выявляются через 3 месяца после облучения. Длительность проявления радиационных повреждений обуславливается слабым клеточным обновлением в легочных тканях.

Эндокринная система. Железы внутренней секреции состоят из функциональных высокодифференцированных клеток, и соответственно, они характеризуются высокой радиорезистентностью. В то же время, способность к физиологической регенерации этих клеток очень низкая. При тотальном облучении организма, регистрируются нарушения баланса гормонов, в первую очередь, изменяется содержание гормонов щитовидной железы, надпочечников и гонад. Однако, невозможно определить, являются ли эти изменения результатом непосредственного повреждения эндокринных желез или же опосредованно отражают воздействие излучений на другие системы органов и на весь организм в целом.

Центральная нервная система. Клетки нервной системы характеризуются высокой устойчивостью к облучению. Реакции нервной системы на облучение проявляются при очень высоких дозах. Так, неврологические симптомы у крыс наблюдаются через 4-5 суток после облучения головного мозга пучком протонов ( диаметр пучка 3 мм) с энергией 200 МэВ при дозе 200 Гр. При меньших дозах ( 10 -150 Гр) дегенеративные морфологические изменения развиваются в течение более длительного промежутка времени. При увеличении диаметра протонного пучка до 5 мм морфологические изменения в ткани мозга более выражены и проявляются быстрее. Экспериментальные факты свидетельствуют об опосредованном механизме радиационного поражения нервной системы, которая обуславливается, в первую очередь, нарушением кровоснабжения ткани вследствие повреждения кровеносных сосудов. Необходимо отметить, что функциональные изменения в центральной нервной системе, например, изменения условных рефлексов, развиваются уже при дозах 0,1 - 1 Гр, но они не определяют конечного исхода лучевого поражения организма.

Органы выделения. Количество экспериментальных данных о действии ионизирующего излучения на органы выделения очень мало. Наиболее изученными в этом отношении являются почки, которые относятся к радиорезистентным органам. В экспериментах на различных животных показано, что морфологические и функциональные изменения в них появляются только при дозах более 20 Гр. Эксперименты Т. Филлипса на мышах показали, что при локальном облучении в области почек, LD_50/180 составила 24 Гр. Через 16 месяцев этот показатель снизился до 13 Гр. При этом в канальцах и клубочках выявленются дегенеративные изменения, приводящие к почечной недостаточности. Поэтому, при лучевой терапии опухолей брюшной полости, поражение почек является лимитирующим фактором. По некоторым данным, облучение обеих почек в течение 5 недель в дозах выше 30 Гр, может вызвать необратимый хронический нефрит, приводящий к летальному исходу.

Органы размножения.Стволовые клетки, из которых образуются мужские гаметы (сперматозоиды) у млекопитающих, характеризуются крайне высокой радичувствительностью. Вследствие у большинства млекопитающих животных и человека уже при дозах 0,5-1 Гр происходит клеточное опустошение семенников. При поглощенной дозе 2-4 Гр наступает полная стерильность мужского организма. Однако, зрелые сперматозоиды, характеризуются очень высокими показателями радиоустойчивости. В опытах на мышах и крысах показано, что даже при облучении в дозах 1000 Гр, структура и подвижность сперматозоидов не изменяется и соответственно, они сохраняют способность к оплодотворению яйцеклетки. Наступающая после облучения относительно невысокими дозами стерильность самцов носит временный характер и ликвидируется по мере восстановления сперматогенеза вследствие размножения сохранившихся жизнеспособных сперматогониев.

Стерильность самок млекопитающих наступает при более высоких дозах, чем у самцов ( у крыс –15-20 Гр) и как правило, она необратима. Необратимость стерилизации связано с тем, что образование женских половых клеток у млекопитющих заканчивается в ранние сроки после рождения. Как известно, у взрослого организма яичники не способны к активной регенерации. Поэтому, если при облучении погибли все потенциальные яйцеклетки, то плодовитость организма утрачивается необратимо.

Контрольные вопросы и задания.

1. Опишите схему проведения опытов с целью определения значений LD₅₀при облучении рентгеновскими лучами:

а) мышей

б) плодовых мушек (дрозофилл)

в) дрожжевых клеток

г) вируса табачной мозаики

2. Существует закономерность: чем выше в эволюционном отношении вид, тем выше радиочувствительность особей этого вида. Это означает, что представители высокоорганизованных групп живых организмов менее радиоустойчивы, чем особи, принадлещащие к группам с более простой организацией. Как Вы объясните эту закономерность?

2. Особи одного и того же вида живых организмов характеризуются неодинаковой радиоустойчивостью. Выскажите Ваши соображения для объяснения этого факта.

3. Как Вы понимаете термин «Лучевая болезнь человека»? От каких факторов зависит проявление лучевой болезни.

4. При радиационной аварии несколько человек получили различные дозы ионизирующей радиации. Индивидуальная доза для каждого человека неизвестна. По показаниям стационарного дозиметра видно, что индивидуальная доза у разных облученных людей может составлять от 0,1 Зв до 5 Зв. Как можно определить значение этого показателя для каждого облученного через 1- 2 сутки после облучения ?

5. В течение 7-10 суток после облучения человека происходит резкое снижение числа лейкоцитов и лимфоцитов в перефирической крови. В то же время, количество эритроцитов в крови изменяется незначительно. Дайте объяснение этим фактам.

6. Наиболее радиочувствительным органом у млекопитающих является красный костный мозг, наиболее радиоустойчивой – нервная ткань. Почему?

7. Какими причинами обуславливается проявление:

а) желудочно –кишечного синдрома;

б) церебрального синдрома

2. Перечислите основные ткани, органы по повышению их радиочувствительности, начиная с менее радиочувствительных.

10. Какими факторами обуславливается радичувствительность тканей, органов, систем органов, организмов?

11. Мышей облучали гамма-излучением с мощностью поглощенной дозы 1 Гр/мин в течение одного часа. В каком временном интервале погибнет большая часть облученных животных ?

Лекция 9 а . Действие ионизирующих излучений на млекопитающих и человека.

Как отмечалось, радиочувствительность млекопитающих, в т.ч. и человека, определяется в первую очередь, радиочувствительностью красного костного мозга, так как именно дегенерация кроветворной системы при тотальном облучении приводит к гибели организма. Поэтому количественным критерием радиочувствительности служат эквивалентные дозы, при которых животные погибают вследствие проявления костно-мозгового синдрома. Количественные характеристики радиочувствительности животных можно получить построив кривые выживания. Для построения кривой выживания, на оси абцисс отмечают экспозиционную, поглощенную или эквивалентную дозу ионизирующего излучения. На оси ординат отмечают количество погибших животных в течение 30 суток, выраженное в процентах. Кривые выживания для млекопитающих имеют S - образную форму. Такая форма кривой выживания обуславливается тем, что гибель отдельных особей начинается при достижении определенной (минимально летальной) дозы. При достижении определенной (абсолютно летальной) дозы погибают все облученные животные (Рис. 1.). Как видно из рисунка, при облучении рентегновскими лучами, гибель мышей начинается при поглощенной дозе 4 Гр. В интервале доз 4 -6 Гр, количество погибших животных повышается незначительно.

Рис. 1. Кривая выживания мышей при тотальном рентгеновском облучении (каждая точка представлена усредненными данными для 20 животных).

Основное количество особей погибает при облучении в интервале доз 6-8 Гр. Как видно, построив кривую выживания, можно оценить дозы, вызывающие гибель определенного количества животных. Наиболее употребляемыми на практике являются значения LD₃₀ и LD₅₀. Из рисунка видно, что имеется значительный разброс показателя выживаемости отдельных особей при облучении в одинаковых дозах. Этот факт свидетельствует о вариабельности признака индивидуальной радиочувствительности у экспериментальных животных. О значительных различиях в индивидуальной чувствительности животных свидетельствует также наличие таких критериев как LD₃₀, LD₅₀, т.е. определеныые дозы облучения приводят гибели 30, 50 % облученных особей. Необходимо отметить, что индивидуальные различия в радиоустойчивости наблюдаются не только у представителей одного вида, но и у животных одной чистой линии, где особи характеризуются идентичным генотипом.

Выживание (гибель) млекопитающих в исследуемом интервале доз определяется, в первую очередь, количеством неповрежденных стволовых клеток, ответственных за обновление клеток крови.

Радиочувствительность животных зависит также и от половых, возрастных различий особей. Как правило, самки млекопитающих более устойчивы к облучению, чем мужские особи. На рис. 2. приведены данные об изменении значений LD₅₀ у мышей в течение жизни. Как видно, радиочувствительность животных в первые недели после рождения высокая, по мере роста и развития мышей она снижается. Наиболее радиоустойчивы взрослые половозрелые мыши в возрасте 40 - 70 недель. Затем радиоустойчивость особей снижается и к концу жизни этот показатель достигает уровня новорожденных животных.

Рис. 2. Изменения радиочувствительности мышей одной линии в зависимости от их возраста.

Таким образом, степень устойчивости животных к ионизирующему излучению сильно колеблется в пределах одного вида, и радиочувствительность определяется многими факторами (возраст, пол, физиологическое состояние организма в момент и после облучения). Поглощение млекопитающими доз излучения до 10 Гр, вызывает появление многообразных симптомов лучевой болезни. Проявления симптомов лучевой болезни экспериментально изучено на представителях различных видов млекопитающих (мыши, крысы, собаки, овцы, козы, лошади, обезьяны).