Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планиров. Ч.1 2011

4.6.2. Детерминистские эффекты

Детерминистские (нестохастические) эффекты являются более распространенными и клинически важными. Их тяжесть усиливается с увеличением дозы. Увеличивается ли также частота возникновения детерминистских эффектов с возрастанием дозы? Ответ на этот вопрос зависит от принципа отбора данных. Общая практика заключается в подсчете числа случаев, когда тяжесть реакции (осложнения) превышает определенный уровень. В этом случае обычно оказывается, что частота осложнений (например, 3-й степени) растет с увеличением дозы. Ниже приводятся примеры детерминистских эффектов, вызываемых облучением, для трех видов тканей.

Кожа и слизистая оболочка. Реакции кожи легко видны глазом, поэтому привлекают внимание. При увеличении дозы первым признаком поражения является покраснение (эритема), за которым вскоре следует шелушение (сухое шелушение), потом кожа мокнет. В результате облучения высокой дозой кожа может окончательно разрушиться вплоть до отмирания. Слизистая оболочка полости рта является слоистым эпителием подобно коже. Повреждение слизистой оболочки выступает важным лимитирующим фактором при ЛТ головы и шеи. Повреждение кожи начинает проявляться к концу второй недели ЛТ и достигает пика между четвертой и восьмой неделями после начала ЛТ (рис. 1.28,а).

Повреждение кожи относится к ранним реакциям. В конечном счете, оно вылечивается, если не очень тяжелое, но за этим повреждением может последовать более стойкий тип поздней реакции. Тогда кожа становится жесткой и несгибаемой (т.е. фиброз), может возникнуть долговременное поражение кровеносных сосудов, проявляющееся в искажающей внешность телеангиэктазии.

71

Рис. 1.28. Временная зависимость радиационно-индуцированного повреждения кожи мыши, облучаемой 10 фракциями по 6 Гр каждая (а). Кривая доза-отклик,

рассчитанная из данных, представленных на (а), для однократного облучения и облучения 10 фракциями (б) [31]

Легкие. Легкие относятся к одной из наиболее радиорезистентных и весьма важной для организма анатомических структур. Первым свидетельством поражения легких служит пневмония, которая проявляется через три – шесть месяцев после облучения. Степень ухудшения функций легких зави-

72

сит от величины дозы и может привести к смерти. Пациенты, пережившие первую фазу, могут подвергнуться через год или больше после облучения второй фазе болезни, которая обусловлена прогрессирующим и необратимым фиброзом.

Головной и спинной мозг. Эти ткани имеют очень низкую скорость обновления и их повреждение проявляются многие месяцы и годы после облучения. В менее острых случаях могут наблюдаться неврологические эффекты, которые, в конце концов, устраняются. Однако при превышении критического дозового порога поражение прогрессирует до постоянной радиационной миелопатии или некроза. Для спинного мозга это предстает как паралич. Суровость этого поражения для пациента настолько опасна, что радиационные онкологи стараются уменьшить риск этого поражения ниже 1 %.

4.7. Количественное определение повреждения нормальных тканей

Радиобиологи разработали обширный ряд методик для количественной оценки радиационно-индуцированных эффектов в нормальных тканях. Они включают методы визуального подсчета, тесты функций тканей, технику клонирования стволовых клеток. Большинство было разработано для лабораторных исследований с животными, но некоторые применимы и к человеку.

4.7.1. Методы визуальной оценки

Каждое проявление поражения тканей таких, как кожа, можно оценить глазами, используя произвольный масштаб. Например, для кожи можно оценивать эритему за 1.0 и некроз за 4.0 с промежуточными оценками для других видов повреждений. На рис. 1.28,а иллюстрируется повреждение кожи мыши, измеренное таким способом. Ордината представ-

73

ляет среднюю оценку повреждений, полученную на группе мышей, получающих дозу 60 Гр за десять дневных фракций. Реакции начинаются на 7 – 10-й день (для человека на 14 – 17-й день), достигают пикового значения через 4 недели и затем медленно уменьшаются в следующие пару месяцев. В течение этого периода характер реакции кожи изменяется. Первой наступает эритема, последней стадией реакции (если до нее доходит) является некроз, требующий продолжительного времени для лечения.

Радиобиологи количественно оценивают эффекты, проявляющиеся на коже, определяя площадь под такой кривой внутри определенного временного интервала (13 – 34 дня в этом примере). Проводя эксперименты с различными значениями доз, исследователи строят кривую доза-отклик. На рис. 1.28,б показаны две таких кривых: для однократного и фракционного облучения. Кривые имеют сигмоидальную форму и ясно демонстрируют эффект щажения кожи от фракционирования облучения. Визуальное оценивание может показаться устаревшей технологией с сомнительной точностью. Однако практика показала, что это надежный метод, с помощью которого сделаны важные открытия в радиобиологии.

4.7.2. Функциональные тесты тканей

Для тканей, в которых имеется возможность подходящего функционального тестирования, такой тест является ценной конечной точкой для радиобиологических исследований. Хороший пример – легкие. В процессе развития радиационноиндуцированной пневмонии наблюдается ухудшение функции легких, которое можно обнаружить с помощью стандартных клинических тестов легких. У мышей, к примеру, происходит увеличение частоты дыхания, которое можно за-

74

регистрировать с помощью микрофона и электронного рекордера.

Другой пример – почки, физиологическая функция которой достаточно просто измеряется. Стандартная практика заключается в изучении скорости выделений по детектированию радиоактивно меченого трассера, такого как ЭДТА, меченый 51Сr. Повреждение мочевого пузыря определяется измерением частоты мочеиспускания.

4.7.3. Методы клонирования стволовых клеток

Работа с экспериментальными животными позволяет выявить важные закономерности в биологии поврежденных тканей. Для кожи, кишечника и некоторых других тканей были разработаны экспериментальные методики, позволяющие выращивать из стволовых клеток колонии, число которых можно визуально подсчитать. Используя эти методики, в радиобиологии были сделаны многие открытия. Для некоторых тканей имеется возможность трансплантации облученных клеток в генетически идентичные животные – реципиенты и последующего клонирования с целью изучения радиочувствительности стволовых клеток. Хорошо известно применение данной методики для исследования радиочувствительности кроветворных тканей, выполненное на костном мозге мышей. Таким способом было получено, что средняя инактивационная доза для стволовых клеток костного мозга

~ 1 Гр.

Пример применения методики клонирования для изучения выживаемости клеток тонкой кишки мыши показан на рис. 1.29. Мыши облучались в разных условиях (разными видами ионизирующего излучения и разной мощностью дозы), эффекты измерялись как на мыши в целом (т.е. посмертно), так и используя анализ колоний для определения выживаемости стволовых клеток кишечника. Рис. 1.29 демонстрирует зна-

75

менательный результат наблюдений: для всех условий облучения доза, соответствующая 50 % летальности животных, уменьшает долю выживших стволовых клеток кишечника до 10-2 (т.е. убивается 99 % клеток). Это не только доказывает, что тест стволовых клеток дает реалистическую оценку, но также указывает, что кишечник способен перенести потерю не больше, чем 99 % своих стволовых клеток. Меньшая степень повреждения в результате облучения может восполниться за счет быстрой репопуляции, большая же приводит к отказу кишечника.

Рис.1.29. Зависимости от дозы выживаемости мышей через пять дней после облучения (верхняя часть рисунка), сопоставленные с кривыми выживаемости для стволовых клеток кишечника. Облучение проводилось в разных условиях. Слева направо: нейтроны, электроны (с высокой и низкой мощностью дозы), тормозное излучение, электроны в условиях гипоксии [32]

76

Этот факт еще раз убедительно иллюстрирует трудную проблему, стоящую перед радиационными онкологами: для получения локального контроля над опухолью необходимо уменьшить величину выжившей фракции клеток опухоли на 9 ÷ 10 порядков, при том, что для нормальных тканей это уменьшение не должно превышать два порядка.

4.8.Эффект объема

4.8.1.Связь объемного эффекта со структурной

организацией ткани

Тяжесть радиационно-индуцированного повреждения нормальных тканей в большой степени зависит от облучаемого объема ткани. Характер проявления объемного эффекта в разных органах тела зависит от структурной организации (рис. 1.30) и миграционных особенностей выживших стволовых клеток. Некоторые ткани, несмотря на то что от природы они радиочувствительными, могут иметь тем не менее значительный объемный эффект, и поэтому быть радиорезистентными к частичному облучению. Примером таких органов являются почки и легкие, которые находятся в ряду наиболее радиочувствительных органов тела, когда облучается весь объема органа. Однако при облучении части объема эти же органы могут выдержать существенно более высокие дозы, так как обладают большой резервной способностью. Для поддержки жизни в нормальных физиологических условиях этим органам оказывается достаточно от одной четверти до одной трети функционального объема. Альтернативно, другая, более подобная тонкой трубке структура, какой обладает спинной мозг, имеет противоположный объемный эффект: инактивация короткого сегмента вызывает потерю функции

77

всего органа, т.е. паралич органа. Структурную организацию почек и легких принято называть параллельной, а спинного мозга –последовательной (иногда сериальной).

Рис.1.30. Схематическое представление сериальной (а), параллельной (б), сери- ально-параллельной (в), комбинации параллельной и сериальной (г) структур и зависимости вероятности осложнений в нормальных тканях с разной структурой от относительной доли облучаемого объема [32]

Промежуточной между параллельной и последовательной организациями является организация тканей, которые состоят из специализированных элементов, выполняющих очень специфические функции, как например, отдельные части мозга. Радиационное поражение даже небольшой части этой ткани приводит к постоянной недостаточности специфической функции, так как неповрежденные компоненты могут оказаться неспособными перенять функции поврежденных элементов. Как следствие, толерантная доза таких тканей определяется влиянием облучения только на небольшой участок их объема. Однако облучение большого объема может привести к значительно более суровым функциональным расстройствам, так как затрагивает большее число функциональных элементов.

Величина объемного эффекта имеет важнейшее значение для развития и успеха конформной ЛТ. При наличии больше-

78

го объемного эффекта уменьшение объема нормальной ткани, находящейся в области высокой дозы, позволяет значительное увеличение дозы, от которого ожидают улучшения контроля над опухолью. Если объемный эффект мал, то выигрыш будет небольшим. Поэтому модели, описывающие вероятность осложнений в нормальных тканях, должны адекватно отражать объемный эффект в различных органах, чтобы быть способными на надежное предсказание вероятности осложнений для произвольного дозового распределения.

4.8.2. Основа объемного эффекта

Несмотря на большое внимание со стороны ученых, биологическая основа объемного эффекта является до сих пор неясной для большинства тканей. Основная трудность связана с фактом, что лабораторные исследования проводятся, главным образом, с небольшими животными (крысами и мышами). Поэтому в опытах с ними нет возможности использовать клинические размеры поля излучения, и имеются серьезные проблемы масштабирования. Длина мыши составляет ~ 1/20 от роста человека. Возникает вопрос: можно ли предположить, что изменение диаметра поля излучения с 5 до 10 мм у мыши эквивалентно изменению диаметра поля с 10 до 20 см в клинике. Такое масштабирование вряд ли является обоснованным, потому что одной из составляющих объемного эффекта является миграция клеток для замещения клеток, поврежденных излучением. Хотя этот процесс может происходить в мышах быстрее, но непохоже, что в 20 раз. Имеются также другие факторы, например кровеносные сосуды, которые также нельзя масштабировать в соответствии с размерами тела. Конкретная величина фракционного объема органа, подвергающаяся облучению, может иметь важнейшее значение, но это также трудно масштабировать в широком интервале размеров тел.

79

На рис. 1.31 показан объемный эффект для кожи свиньи [33], выбор которой для исследования объясняется похожестью структуры ее кожи с кожей человека. В экспериментах диски различного диаметра с радионуклидом 90Sr размещались непосредственно на коже. При уменьшении диаметра дисков с 40 до 2 мм кожная доза, требуемая для образования мокнущего шелушения, увеличилась с 26 до 150 Гр. Это указывает, что кожа обладает большим объемным эффектом в диапазоне небольших размеров полей. Такой эффект обусловлен способностью неповрежденных клеток эпителия мигрировать в облученную область и репопулировать там. Очевидно, что подобный эффект более эффективен на миллиметровых расстояниях, чем на сантиметровых. Изменение размера поля в клинических условиях с 20 до 15 см может также показать некоторый объемный эффект, но миграция с краев поля облучения внутрь будет менее значимым фактором. Для спинного мозга заметный объемный эффект наблюдался в опытах также на миллиметровых расстояниях.

Рис. 1.31. Объемный эффект для кожи свиньи, облучаемой дисковыми источниками 90Sr различного диаметра [33]

80