Радиобиология с основами радиоэкологии

Существенные изменения претерпевает уровень другого активного полупродукта азотистого обмена – гистамина, который значительно возрастает в крови и почти во всех тканях (кроме мозга). Раньше были попытки приписать гистамину ведущую роль в развитии лучевых синдромов, которые не нашли подтверждения в многочисленных исследованиях, посвященных этому вопросу. Однако несомненно, что в общем комплексе нарушений обмена в облученном организме гистамину принадлежит определенная роль и, по-видимому, в первую очередь как фактору, действующему на проницаемость гистогематических барьеров и тем самым меняющему внутреннюю среду органов и тканей.

Хорошо известны данные о высокой радиочувствительности процесса биосинтеза ДНК. Биосинтез РНК более радиорезистентен, чем биосинтез макромолекул ДНК. По-видимому, радиационное угнетение биосинтеза РНК определяется не недостатком предшественников или снижением активности РНКполимеразы, а повреждением ДНК-матрицы вплоть до того, что она сама вызывает ингибирование активности этого фермента. Под влиянием общего облучения происходит значительная активация нуклеаз в радиочувствительных тканях животного организма. Уже спустя 10 мин. после облучения (кролики, 10 Гр) в ткани костного мозга наблюдается почти пятикратное увеличение активности рибонуклеазы. Через 4 ч почти вдвое возрастает активность дезоксирибонуклеазы I при неизменной активности дезоксирибонуклеазы II. Наряду с активацией внутриклеточных нуклеаз, распад клеток после облучения также ведет к значительному повышению активности нуклеаз в тканях, что обусловливает появление этих ферментов в крови и моче облученных животных. Ферментативный распад нуклеиновых кислот, наряду с отмечавшейся остановкой синтеза ДНК, приводит в первые же часы после облучения к резким сдвигам в содержании нуклеотидов. Особенно много выделяется дизоксицитидина, который не подвергается дальнейшему изменению и выделяется в качестве конечного продукта обмена. В это же время наблюдается распад пуриновых нуклеотидов, в результате чего возрастает количество аллантоина в моче облученных животных. Повышенное содержание таурина в моче и дезоксицитидина используют как раннюю диагностическую реакцию. О нарушении обмена белков свидетельствуют данные об угнетении выработки антител и других специфических иммунных белков, нарушение их антигенной структуры. Имеются сведения об активации облучением многих ферментов – протеиназ, триптофаноксидазы, карбоксипепсидазы, щелочной и кислой фосфатаз, описано резкое усиление синтеза гемина и ослабление синтеза глобина в ретикулоцитах. Предполагают, что активация протеолитических ферментов, с которой в значительной

степени связывают распад тканевых белков, является не только следствием повышения проницаемости мембран клеточных органелл, но и результатом нарушения регуляции со стороны гипофиз-адреналовой системы.

Перечисленные наиболее важные нарушения азотистого обмена приводят к уменьшению массы тела облученных животных, дополнительному отравлению организма полупродуктами белкового распада, изменению барьерных функций. Массовый распад клеток в радиочувствительных тканях (костном мозге, селезенке, тимусе, слизистой кишечника) непосредственно связан с отмеченными выше сдвигами белкового обмена. Нарушения белково-азотистого обмена играют важную роль в общем комплексе изменений, лежащих в основе патогенеза лучевой болезни.

11.6.2. Нарушения углеводно-липидного обмена веществ

Углеводный обмен в основном отрегулирован с помощью эндокринной системы, поэтому изменения в нем будут связаны с нарушениями функций нейро-эндокринной системы и они будут вторичными. Установлено, что углеводы являются относительно радиоустойчивыми веществами, синтез которых если и нарушается, то в поздние стадии лучевого поражения. Наблюдаемые сдвиги в содержании гликогена в крови и печени в значительной степени связаны с нарушениями регуляции со стороны надпочечников и частично – с повреждением самих печеночных клеток. Так, повышенное выделение адреналина надпочечниками приводит к уменьшению содержания гликогена в скелетных мышцах у кроликов и кур через 24 ч после тотального облучения в дозе 8 Гр и повышению содержания сахара в крови, оттекающей от облученных мышц у собаки. Высокое содержание сахара в крови может служить причиной увеличения количества гликогена в миокарде. Основные ферментативные системы, синтезирующие гликоген из глюкозы и гликоген­ образующих аминокислот, не угнетаются даже при сравнительно высоких дозах облучения, что приводит иногда к значительному увеличению содержания гликогена в печени. Картина углеводных сдвигов часто осложняется иными обстоятельствами – замедлением всасывания глюкозы вследствие поражения стенок тонкого кишечника, наличием или отсутствием запаса гликогена. При общей относительной устойчивости ферментов углеводного обмена имеются многочисленные наблюдения о частичном угнетении или усилении активности отдельных ферментов в определенных условиях облучения и фазах развития лучевого поражения. Относительно высокой радиочувствительностью обладают высокополимерные полисахариды, выполняющие специальные функции во многих тканях и жидкостях организма. Установлено, что деполимеризация гиалуроновой

кислоты, регулирующей проницаемость соединительной ткани, наступает рано и при сравнительно небольших дозах излучения (5–10 Гр). Деполимеризация мукополисахаридов объясняется резким усилением диффузии введенных в кожу различных красителей под влиянием облучения в дозах 1 Гр и выше.

Особый интерес представляет относительная чувствительность к облучению анаэробного гликолиза. Еще в 1930-е гг. немецкий физиолог и биохимик Отто Генрих Варбург показал важную роль анаэробного гликолиза для роста злокачественных опухолей и придавал большое значение угнетению этого процесса в терапевтическом действии на опухоли ионизирующих излучений. Торможение анаэробного гликолиза после тотального облучения было отмечено на некоторых радиочувствительных тканях, хотя и не на всех.

Немаловажное значение представляет изучение радиационных нарушений обмена липидов. Благодаря их легкой окисляемости, усиливающейся под действием облучения, образующиеся пероксиды участвуют в первичных пострадиационных процессах в форме органических радикалов. Детальные и достаточно полные исследования роли нарушений липидного обмена

врадиационной патологии были проведены известными российскими радиобиологами Б.Н. Тарусовым, Н.М. Эмануэлем, Ю.Б. Кудряшовым, Е.Б. Бурлаковой и их учениками, украинским исследователем В.А. Барабоем.

Важную роль в образовании высоко биологически активных продуктов играют реакции пероксидации ненасыщенных жирных кислот и полифенолов. Следует, прежде всего, иметь

ввиду, что в нормально метаболизирующем организме эти реакции используются для регуляции роста и развития. Хорошо известно, что продукты перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот и полифенолов могут существенно влиять на такие важнейшие функции клетки, как скорость деления, выработка энергии в виде макроэргов, мутагенез, репрессия и дерепрессия генов и некоторые другие.

Впроцессе эволюции в клетках и тканях возникла и существует сложная система регуляции уровня рассматриваемых биологически активных веществ, что дает возможность использовать их для ускорения или замедления темпов развития. В эту систему регуляции входит группа веществ, объединяемых общим названием «биоантиоксиданты», всегда присутствующие в липидной фазе и препятствующие развитию цепных реакций окисления липидов. Кислород, необходимый для процессов пероксидации, потребляется ферментативными системами дыхания и продукции АТФ, что приводит к понижению парциального давления кислорода в биомембранах и сдерживает реакции пероксидации. Наличие специального фермента – супероксиддисмутазы – препятствует накоплению супероксид-

ного анион-радикала кислорода, способствующего перекисному окислению липидов.

С другой стороны, ферментная система липооксигеназ, полифенолоксидаз, пероксидаз способствует в норме поддержанию в тканях определенного (очень низкого) уровня биологически высокоактивных продуктов перекисного окисления липидов и хинонов.

Во время облучения, как уже отмечалось выше, в липидной фазе биомембран будут возникать свободные радикалы многочисленных липидов, составляющих эту фазу, а также присутствующих в ней или в ближайшем окружении полифенолов. Данные радикалы, реагируя с кислородом, могут дать цепную реакцию перекисного окисления липидов (ПОЛ) с образованием гидроперекисей, пероксидов, эпоксидов, альдегидов. С возрастанием дозы облучения в первую очередь окисляются антиокислители, их содержание падает, создаются условия, благоприятные для ПОЛ, но они сдерживаются недостатком кислорода.

Н.М. Эмануэлем и его сотрудниками были даны представления о значении свободнорадикальных процессов и их ингибировании природными антиоксидантами. В дальнейшем развивая эти представления Е.Б. Бурлакова показала, что в органах облученных мышей антиокислительная активность резко снижается. Значительное падение радиорезистентности животных при длительном содержании их на Е-авитаминозной диете также демонстрирует роль антиокислителей в задержке ПОЛ и его участие в развитии радиационного поражения организма. Из некоторых работ известна тесная связь между появлением в составе биомембран перекисных групп липидов, нарушением структуры мембран и трансформации активности ряда мембранно-связанных ферментов. Доказана важная роль клеточных мембран при радиационных изменениях липидов. Структура и функция мембран, являющихся кооперативными системами, тесно связаны с составом и свойствами их основных компонентов: липидов и белков. Многие авторы придают большое значение окислительным превращениям в липидах мембран как источнику изменения их функциональной активности, саморазборки и деградации. Е.Б. Бурлаковой и ее сотрудниками установлено, что в норме существует определенная взаимосвязь между изменениями состава липидов и скоростью окислительных реакций. При усилении окислительных реакций липиды мембран обогащаются самыми устойчивыми к окислению фракциями: сфингомиелином и фосфатидилхолином, а при торможении окислительных реакций — наиболее лабильными: фосфатидилсерином, фосфатидилинозитом и фосфатидилэтаноламином. Такого рода связь может рассматриваться как система, поддерживающая уровень окислительных

реакций в стационарном состоянии. Кроме того, изменение состава липидов мембран вызывает трансформацию ригидности мембраны, затрудняющую ее структурные перестройки и меняющую скорость ферментативных реакций, для которых липиды являются эффекторами. Установлено, что изменение скорости некоторых ферментативных реакций после облучения может быть объяснено характером изменения относительной концентрации фосфолипидов – эффекторов для соответствующих ферментов. Изменение состава липидов мембран может модифицировать условия образования ДНК-мембранного комплекса, играющего важную роль в радиочувствительности и процессах восстановления после облучения. С этих позиций объясняется связь антиокислительной активности липидов с радиочувствительностью, а также наличие корреляции между степенью изменения антиокислительной активности с помощью радиопротекторов и их защитным действием.

Под влиянием облучения происходит не только перераспределение липидов, но и наступает переключение углеводного обмена в сторону липидного – в результате наступающего торможения окисления углеводов в цикле Кребса.

Таким образом, при облучении живых, активно метаболизирующих клеток в липидной фазе биомембран первично возникающие радиационно-химические реакции свободнорадикального окисления ненасыщенных жирных кислот приведут

кобразованию небольшого количества пероксидов. Их дальнейшее накопление по чисто свободнорадикальному механизму окисления будет сдерживаться наличием антиоксидантов, микрогетерогенной­ структурой мембран и недостатком кислорода в липидной фазе. Однако уже незначительное образование пероксидов будет достаточно для перестройки структуры мембраны в целом, своеобразного «разрыхления» ее структуры, что приводит к высвобождению липоксигеназ, повышению их активности и вторичному, гораздо более существенному ферментативному образованию продуктов перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот, выполняющих функции липидных радиотоксинов.

Установлено, что возникающие фонды активного ацетила используются для синтеза жирных кислот, холестерина и увеличения кетоновых тел. Под влиянием облучения в некоторых тканях значительно снижается количество присутствующих антиоксидантов, меняется активность липооксидаз, пероксидаз, полифенолоксидаз, фосфолипазы. Все это может привести

кискажениям ферментативных окислительных процессов и накоплению липидных перекисей и ненасыщенных кислот, обладающих токсическими свойствами.

11.6.3. Нарушения водно-минерального обмена веществ

При лучевой болезни может существенно нарушаться вод­ ный и минеральный обмен. Облучение вызывает отеки (нарушение стенок кровеносных сосудов, выход альбумина), часть воды переходит из крови в ткани, в результате чего повышается осмотическое давление. Установлено, что в первые часы после облучения поступление воды через кишечник падает, через 13 ч поток воды прекращается, а перед гибелью организма наблюдается обратный поток воды из плазмы в кишечник. Ионы натрия и калия также претерпевают изменения при облучении. При этом ионы калия выходят в инкубационную среду, а ионы натрия – в клетку, прикрепляясь на эритроцитах. При дозах облучения 2–4 Гр количество ионов калия в облученных эритроцитах снижается пропорционально дозе облучения, а количество ионов натрия пропорционально увеличивается. При высоких дозах эффект усиления наблюдается очень четко и наступает явление гемолиза. Изменение электролитов в клетках крови обусловливается торможением процесса активного транспорта, который связан с К-АТФ- и Na-АТФазами. В нормальном состоянии мембраны эритроцитов обладают такой структурой, которая препятствует диффузии ионов калия в межклеточное пространство. При облучении в мембранах находящиеся SH-группы превращаются в S–S связи. Существует два типа SH-групп: быстроокисляющиеся и более трудноокисляющиеся. Выход ионов калия в межклеточное пространство обусловлен быстроокисляющимися SH-группами. Параллельно с этим процессом при больших дозах облучения усиливается выделение ионов калия через почки и кишечник. Обеднение калием после облучения было отмечено в изолированных ядрах селезенки, уже при дозе 40 Р – в сердечных мышцах млекопитающих, тогда как в поперечно-полосатой мускулатуре его содержание не менялось даже при облучении в сверхлетальных дозах.

Наиболее глубоко под влиянием облучения изменяется обмен железа. Включение радиоактивного железа в эритроциты начинает снижаться уже при дозах в 30–50 Р, и доза в 4 Гр почти полностью подавляет процесс включения в течение семи дней после облучения у крыс. Уменьшение включения железа в эритроциты сопровождается повышением содержания свободного железа в плазме крови (гиперферримия), увеличением его количества в селезенке, которая, как известно, депонирует железо, не используемое в кроветворении. Тормозится включение железа не только в гемоглобин костномозговой ткани, но и в миоглобин мышечной ткани. Сдвиги в обмене ионов железа вызываются не прямым действием облучения, а через действие образующихся в организме токсических веществ. Не исключено и участие нейрогуморального фактора в этом процессе.

При облучении происходят изменения и в кальциевом обмене. Установлено, что при облучении в летальных дозах концентрация ионов кальция в крови кроликов уменьшается. Существенное снижение уровня ионов кальция отмечено в костях, особенно у молодых животных при облучении в дозе 20 Гр. При острой лучевой болезни содержание ионов кальция в крови в первый период развития лучевого поражения может резко снижаться (до 6–7 мг%), а затем повышаться до 18 мг%, а в последующем уровень этого иона возвращается к норме и остается устойчивым.

Усиление окислительных процессов под влиянием облучения, по-видимому, тесно связано с возрастанием содержания в некоторых тканях таких микроэлементов, как медь и марганец, принимающих активное участие в катализе окислительных процессов. Резко возрастают содержание и концентрация меди в ткани легкого и марганца в тканях селезенки облученного животного. Отмечено резкое увеличение количества хрома в ткани селезенки. Следовательно, в водно-минеральном обмене наиболее характерным является изменение обмена таких элементов (K, Na, Fe, Ca, Cu, Mg, Cr), которые входят в состав важнейших ферментативных систем и веществ, регулирующих процессы окисления.

Таковы наиболее важные, ведущие биохимические сдвиги в организме при его тотальном облучении.

11.7. Изменения в нервной и эндокринной системах и их значение в развитии поражения и восстановления

Характер ответной реакции различных тканей организма на облучение может быть неодинаковым. Поэтому если в качестве критерия взять легко наблюдаемые морфологические сдвиги в облученной ткани, то можно расположить отдельные ткани по возрастающей радиочувствительности следующим образом: нервная ткань > хрящевая и костная ткани > мышечная ткань > соединительная ткань и сосуды > щитовидная железа > пищеварительные железы > легкие > сердечная оболочка > эпидермис > потовые и сальные железы > слюнные железы > слизистые оболочки > лимфоидная ткань > костный мозг > зобная железа. Однако при более тонких методах гистологических и гистохимических исследований можно выявить изменения и в относительно радиоустойчивых тканях. К нарушениям в некритических системах можно отнести различные проявления изменений со стороны центральной нервной системы и органов чувств, эндокринной, иммунной, сердечно-сосу- дистой и пищеварительной (кроме тонкого кишечника) систем, органов выделения и других клеточных систем, которые условно называются некритическими, так как они не ответствен-

ны за непосредственный исход лучевого поражения организма. Однако не следует забывать, что данные системы могут играть определенную роль как в процессах восстановления, так и в отдаленных последствиях облучения. Разделение на радиочувствительные и радиоустойчивые ткани следует понимать относительно. В настоящее время наукой уже получено много фактов, свидетельствующих о весьма существенных и значительных для организма нарушениях, возникающих в относительно нерадиочувствительных системах. Рассмотрим нарушения, возникающие в нервной системе.

11.7.1. Нервная система

Заслуга в раскрытии роли нервной системы и ее изменений в общей реакции организма на воздействие ионизирующей радиации принадлежит русским исследователям. Так, И.Р. Тарханов (1896 г.), Е.С. Лондон (1903, 1904 гг.), М.Н. Ливанов (1962 г.) и другие ученые установили высокую чувствительность нервной системы к облучению. Многие зарубежные ученые до недавнего времени считали нервную систему относительно радиорезистентной. Однако, используя современные методы анализа, была показана большая функциональная радиочувствительность нервной системы к действию ионизирующей радиации. Более глубокое изучение ответной реакции нервной системы на облучение позволило выявить и многочисленные морфологические сдвиги в ее различных отделах.

При облучении в ЦНС развиваются расстройства гемо- и лимфодинамики, что выражается застойным полнокровием вещества и оболочек мозга, умеренным отеком мозга, отеком вещества мозга, поражением нейронов, нарушается обмен рибонуклеопротеидов, развиваются глубокие дистрофические изменения, приводящие к гибели значительного количества клеток. При высоких дозах облучения возникают мелкоочаговые кровоизлияния в ткань мозга. Нервные волокна различных отделов мозга набухают и подвергаются распаду. Наиболее выраженные морфологические изменения возникают в нервных элементах солнечного сплетения. Функциональные нарушения коры больших полушарий головного мозга имеют фазовый характер и были отмечены у мышей, крыс, кроликов, собак. Патологические сдвиги в ЦНС были зафиксированы уже при действии 10–50 р.

После однократного тотального внешнего облучения в дозах 5–10 Гр изменения высшей нервной деятельности можно наблюдать через 20–30 мин. Их нарушения можно разделить на три фазы: 1) фаза начальных изменений (усиление возбудительного процесса); 2) фаза развития запредельного торможения; 3) фаза восстановления. Последняя, третья фаза делится на период относительной нормализации и период полного восстановления.

Первая фаза нарушений характеризуется усилением биотоков, увеличивается амплитуда биоэлектрических колебаний. Порог возбудимости на световое раздражение снижается в дватри раза. Усиление возбудимости рассматривается как результат ослабления внутреннего торможения, нарушения уравновешенности процессов возбуждения и торможения. Первая фаза продолжается несколько часов сразу после общего облучения животных.

Вторая фаза наблюдается в течение 1–6 сут. после облучения. В этот период снижается функциональное состояние коры больших полушарий, колебания биопотенциалов коры значительно ослаблены, электроэнцефалограммы превращаются почти в прямые линии. Порог возбудимости возрастает в два раза. Величины условных рефлексов снижаются. Наступает переход в запредельное торможение, который сопровождается наркотической, уравнительной и парадоксальными фазами. Установлено, что вторая фаза – развития запредельного торможения – развивается быстрее у животных со слабым типом высшей нервной деятельности, тогда как у животных с сильной и уравновешенной нервной деятельностью нарушения во второй фазе протекают слабее.

Третья фаза восстановления длится 7–30 сут. после облучения. Первый период этой фазы – период относительной нормализации – характеризуется нестабильным состоянием корковой деятельности. Колебания биопотенциалов в коре головного мозга имеют значительную амплитуду, однако чаще колебания биотоков фиксируются ниже исходного уровня. В это время происходит восстановление условно-рефлекторной деятельности, которая чередуется со срывами. Это состояние приобретает волнообразный характер. После восстановления высшей нервной деятельности (35–40-е сут.) можно еще длительное время наблюдать некоторое преобладание возбудительного процесса.

Большое значение придается сейчас поражению вегетативной нервной системы при действии облучения. При облучении существенно изменяются реакции вегетативной иннервации со стороны преганглионарных и потсганглионарных нейронов, ганглиев, медиаторов и вегетативных центров. Это проявляется в механизме терморегуляции организма. Из высших вегетативных центров наиболее хорошо изучено действие ионизирующей радиации на гипоталамическую область и мозжечок. При изучении состояния терморегуляции у животных при общем рентгеновском облучении в смертельных дозах были обнаружены нарушения данной функции, которые выражались в увеличении амплитуды колебаний температуры и перегревании тела животных.

Реакция спинного мозга на воздействие облучения проявляется, как правило, в нарушениях рефлекторной деятельно-

сти, а также появлении судорог и параличей. Усиление рефлекторной деятельности у животных обнаруживается при облучении в таких малых дозах, как 0.1–1.0 Гр. Облучение в высоких дозах порядка 8–10 Гр вызывает у кроликов увеличение скрытого периода рефлекторной деятельности, уменьшение частоты и амплитуды биопотенциалов. При воздействии на нерв кролика облучения в дозе 50 Гр наблюдается полное прекращение процесса возбуждения. Ионизирующая радиация вызывает фазные изменения константы аккомодации нерва. Многие исследователи подчеркивают, что изменения, наступающие в нер­ ве после массивных доз ионизирующей радиации, почти или совершенно необратимы. Считают, что на изолированные периферические нервы ионизирующая радиация оказывает прямое действие.

11.7.2. Эндокринная система

Эндокринная система тесно взаимосвязана с нервной системой. Обе регулирующие системы объединяются гипоталамусом, нейросекреторные клетки которого занимают промежуточное положение между нейронами и инкреторными клетками желез внутренней секреции.

Гормоны являются главными регуляторами количества соматических клеток в многоклеточном организме. Гормональные нарушения могут вызвать длительную пролиферацию клеток, которая может привести к ошибкам в транскрипции генетического кода.

Гипоталамус – центральная структура, осуществляющая регуляцию гомеостаза, особенно желез внутренней секреции, через гипофиз. Он представляет центральное звено регуляции эндокринной системы и играет большую роль в онкогенезе этих органов.

По радиочувствительности эндокринные железы следуют за нервной системой. Стойкие нарушения данной системы как одной из важнейших регуляторных систем организма, по данным Ю.И. Москалева (1989), могут наблюдаться при сравнительно низких дозах облучения (0.5 Гр в среднем на все тело). Российскими радиобиологами было установлено, что чувствительность эндокринных желез на лучевое воздействие является в основном опосредованной реакцией и осуществляется рефлекторным путем через нервную систему. Нарушение гормонального гомеостаза может проявляться в развитии угнетения воспроизводительной функции, компенсаторно-восстанови- тельных процессов и увеличении частоты гормонально зависимых опухолей.

Гипофиз расположен сразу под основанием головного мозга, поэтому он может подвергаться облучению на расстоянии при распаде радионуклидов, локализующихся в костной ткани.