Радиобиология с основами радиоэкологии

2.Эффект взаимодействия факторов зависит от соотношения их доз (концентраций);

3.Величина биологического эффекта взаимодействия повреждающих факторов зависит от последовательности их действия. Последовательное применение, а тем более разнесение их действия во времени, как правило, снижает величину синергического эффекта. Раздельное, последовательное использование действующих агентов может приводить к адаптивному ответу, в результате которого воздействие малой дозой (концентрацией) первого агента (адаптирующая доза) уменьшает эффективность последующего воздействия;

4.При совместном действии ионизирующих излучений с различной ЛПЭ с факторами иной природы синергизм более выражен для комбинации редкоионизирующего излучения с разными агентами, чем для плотноионизирующих излучений, формирующих более «тяжелые» нерепарируемые повреждения

ииспользуемых в комбинации с теми же самыми агентами;

5.При взаимодействии факторов радиационной и нерадиационной природы наблюдается связь между степенью выраженности синергического эффекта и способностью клеток к пострадиационному восстановлению;

6.Эффект взаимодействия зависит от физико-химических свойств действующего агента.

12.4. Биологические эффекты при сочетанном действии факторов

В повседневной жизни и производственных условиях люди подвергаются воздействию различных факторов физической, химической и биологической природы, многие из которых вредны для человека. Перечислим основные из них, оказывающие действие на человека и биосферу в целом: физические – ионизирующие излучения, УФ-радиация, неионизирующие электромагнитные излучения, акустические колебания, коммунальные и производственные шумы; химические – соли тяжелых металлов, пестициды, нитраты и нитриты, полициклические ароматические углеводороды, сернистый ангидрид, окислы азота, уретан и др.; биологические – микроорганизмы, вакцины, а также токсины и аллергены растительного и животного происхождения. Многие из них обладают канцерогенным и мутагенным действием.

Многообразие вредных воздействий создает опасность одновременного действия на организм нескольких факторов. В этом случае синергическое взаимодействие агентов может в значительной степени усугублять последствия, ожидаемые при действии только ионизирующего излучения. В связи с этим возникла задача всестороннего анализа реакций организма и на-

блюдаемых биологических эффектов на совместное влияние вредных агентов различной природы. Кроме того, изучение характера эффектов при комбинированном (сочетанном) действии имеет чрезвычайно важное значение для гигиены окружающей среды, поскольку при сочетании нескольких факторов санитарные нормы, установленные для изолированно действующих факторов или только для аддитивного сложения эффектов и гарантирующие безопасность именно для этих условий, могут оказаться несостоятельными.

12.4.1. Комбинированные воздействия ионизирующих излучений и химических веществ

Особое место в проблеме комбинированного действия факторов внешней среды занимает вопрос о совместном влиянии ионизирующего излучения и химических веществ в связи с расширяющимся внедрением атомной энергии в различные области народного хозяйства и использованием в производстве и быту постоянно возрастающего количества химических соединений.

Предварительное или одновременное с ионизирующим излучением острое воздействие химических веществ, вызывающих

ворганизме развитие той или иной формы гипоксии, приводит к ослаблению тяжести радиационного поражения. При этом регистрируется отчетливый антагонизм в действии химического и физического факторов на организм. В частности, он наблюдается при сочетанном воздействии с ионизирующим излучением окиси углерода, п-аминоацетофенона, п-аминобензофенона, п-аминоазобензола, анилина и его производных, цианидов, нитрилов и азидов. Другая группа химических веществ, к числу которых относятся яды, взаимодействующие с сульфгидрильными группами биомакромолекул, обладает радиосенсибилизирующим действием. Одновременное воздействие этих веществ и ионизирующего излучения на организм сопровождается существенным усилением поражающего действия излучения. Так, усиление радиационного поражения зарегистрировано при воздействии ртути и ее соединений, перекиси метилэтилкетона, формальдегида, веществ с непредельными связями, акриловой кислоты, дивинилсульфона, трифторацетальдегида. Одно и то же химическое соединение может быть как радиопротектором, так и радиосенсибилизатором в зависимости от условий его применения (концентрация, мощность дозы ионизирующего излучения, интервал времени между воздействиями). В частности, это характерно для цианидов и окиси углерода.

Многочисленные химические вещества, загрязняющие поч­ ву, водоемы и воздух, сами являются токсическими агентами или канцерогенами, вызывающими патологические изменения

ворганизме человека или приводящими к возникновению зло-

качественных опухолей. Комбинированное действие этих веществ с ионизирующим излучением часто усугубляет патологию, уменьшает латентный период опухолеобразования. В реальной жизни, особенно в крупных городах и промышленных центрах на фоне химических канцерогенов может происходить воздействие ионизирующих излучений. По современным представлениям, в основе возникновения злокачественных новообразований лежат мутации, приводящие к онкогенной трансформации. Повреждающие агенты могут действовать на одни и те же мишени соматических клеток, главной из которых является ДНК. Повреждение в ДНК отвечает за неконтролируемое размножение клеток, т.е. за их злокачественную трансформацию. Многие загрязнители окружающей среды могут частично нарушать процессы пострадиационного восстановления, тем самым усугубляя действие ионизирующего излучения.

Нитрозоамины. Эта группа химических веществ является опасными загрязнителями атмосферы, в особенности в районах промышленно-энергетических комплексов. Около 70–80% нитрозоаминов являются канцерогенами. Они могут синтезироваться из распространенных аминов и амидов непосредственно в организме человека и животных. Эта группа соединений, несмотря на их канцерогенность, широко используется в промышленности (добавки к антикоррозионным покрытиям, бензину, красителям, смазочным маслам). Накопление нитрозоаминов, которые образуются из нитратов в пище и водоемах, наблюдается при избыточном внесении азотных удобрений в почву, особенно при бессменном выращивании сельскохозяйственных монокультур на сухих почвах.

Тяжелые металлы. Соединения свинца и ионизирующие излучения относятся к числу наиболее распространенных генотоксических компонентов окружающей среды. Медико-биоло- гическими исследованиями установлены нормы предельно допустимых концентраций свинца в окружающей среде (ПДК – 0.03 мг/л питьевой воды). Беспокойство вызывают поступление свинца в окружающую среду из промышленных стационарных источников, загрязнение атмосферного воздуха, отложения в почвах и сельскохозяйственных угодьях, сбросы в поверхностные воды, а также проникновение отходов из накопителей в грунтовые воды.

Соединения свинца оказывают на организм человека и млекопитающих общетоксическое действие. При свинцовой интоксикации отмечены поражение нервной системы (астеновегетативный синдром), свинцовая энцефалопатия, желудочнокишечный синдром, печеночный синдром, нарушения эндокринной системы, снижение иммунологической реактивности организма. При этом могут наступать серьезные изменения в гонадах, повышается эмбриональная смертность плодов, воз-

никают аномалии развития скелета. В экспериментах на животных с использованием генетических, иммунологических и биохимических критериев установлены биологические эффекты совместного действия солей свинца и ионизирующей радиации. При сочетанном хроническом воздействии хлорида свинца в предельно допустимых концентрациях (100 и 1 мкг/л) и однократном γ-облучении (в дозах 25 и 50 сГр) на ранних этапах транскрипции ДНК эффект усиливается. В результате такой показатель, как индекс ДНК лейкоцитов крови, значительно снижается.

При сочетанном радиационно-свинцовом воздействии степень суперспирализации ДНК по сравнению с контролем также уменьшается. В данном случае обнаружено явление синергизма действия двух факторов в отношении деградации генетического материала лейкоцитов. Аналогичный эффект обнаружен при использовании микроядерного теста для оценки генотоксичности радиационно-свинцовых воздействий. Число образовавшихся микроядер выше при сочетании хлорида свинца (100 мкг/л) с рентгеновским излучением (около 1 сГр), чем сумма эффектов от изолированных агентов. При дозе 25 сГр комбинированное ртутно-радиационное воздействие приводит к сокращению продолжительности жизни, не связанному с процессом канцерогенеза, тогда как при дозе 50 сГр может привести к сокращению продолжительности жизни, обусловленному возрастанием частоты опухолей, и может быть связано с сокращением латентного периода канцерогенеза.

Результаты комбинированного (последовательного) дейст­ вия ионизирующего излучения и хлорида никеля различной концентрации на выживаемость клеток В-лимфобластов человека показали, что при низких концентрациях хлорида никеля наблюдается эффект больший, чем аддитивный (синергизм), при высоких – меньший, чем аддитивный эффект (антагонизм). Коэффициент синергического усиления во всех случаях близок к 1 (рис. 12.5).

Сочетанное действие на организм малых доз ионизирующего излучения и ртути снижает количество РНК в семенниках, нарушает соотношение ДНК в семенниках и крови, вызывая эффект, по величине превышающий аддитивный. Угнетение сперматогенеза под действием двух факторов является аддитивным. Ионизирующее излучение и ртуть при сочетанном влиянии на организм ингибируют активность дегидратазы D-аминолевулиновой кислоты в эритроцитах, вызывают нарушение порфиринового обмена, причем общий биологический эффект на фермент близок к суммарному. Следовательно, сочетанное воздействие малых доз ионов тяжелых металлов и γ-об­ лучения может привести к существенным биологическим эффектам.

Рис. 12.5. Комбинированное действие ионизирующего излучения (1 Гр) и различных концентраций хлорида никеля на выживаемость В-лимфобластов человека ТК6:

А – зависимость выживаемости клетки от концентрации NiCl2, 48 ч. Темные треугольники – комбинированное действие излучения и NiCl2. Значок – эффект действия только 1 Гр. Пунктирная кривая – ожидаемая кривая выживаемости при независимом (аддитивном) действии этих агентов. Б – зависимость коэффициента синергического усиления от отношения повреждений N2/N1 индуцированными воздействующими агентами. N1 – чис - ло летальных повреждений, вызванных излучением, N2 – хлоридом никеля

(С.В. Белкина, 2007).

В экспериментах на мышах и крысах установлено, что хроническое облучение в относительно малых дозах (от 1.6 сГр до 0.25 Гр) на фоне потребления с питьевой водой тяжелых металлов (меди, кобальта, свинца) приводит к значительному накоплению продуктов свободнорадикального окисления пропорционально истощению антиоксидантного и окислительно-вос- становительного потенциала, активации антиокислительных ферментов, снижению доли фосфолипидов в составе общих липидов, основных фракций фосфолипидов, увеличению содержания лизоформ фосфолипидов в различных органах и тканях. На клетках человека in vitro исследована возможность усиления эффекта малых доз радиации соединениями свинца, распространенными в некоторых регионах с повышенным радиационным фоном, и химиотерапевтическими препаратами – цис- и транс-изомерами платины. При совместном действии облучения и солей свинца в неэффективных концентрациях регистрируется высокий уровень цитогенетических повреждений (повышение частоты клеток с микроядрами и гигантских клеток, увеличение репродуктивной гибели), особенно выраженный при пролонгированном облучении и длительном действии соединений свинца.

Совместное однократное (аварийное) поступление 239Pu с химическими веществами трибутилфосфатом и гексахлорбутадиеном (экстрагенты и разбавители в атомной промышленности при обработке ядерного топлива с целью регенерации плутония

из отработавших ТВЭЛов) ингаляционным путем приводит к развитию злокачественных опухолей легких, скелета и почек, индуцируемых плутонием, и в итоге возникает вероятность сокращения продолжительности жизни животных.

Использование разных доз g-излучения при совместном действии с асбестом вызывало разные типы эффектов взаимодействия исследуемых факторов. При дозе 0.5 Гр у мышей по микроядерному тесту и состоянию антиоксидантных резервов отмечена аддитивность мутагенных эффектов, а при большей дозе (2 Гр) – потенциирование эффектов радиации и асбеста.

12.4.2.Пестициды

Кшироко распространенным химическим поллютантам относятся также пестициды (гербициды, инсектициды, фунгициды, бактерициды и др.). В связи с этим создается реальная опасность совместного действия на организм человека пестицидов и радионуклидов в радиационно загрязненных районах и является актуальным изучение биологического действия данного сочетания факторов на лабораторных животных. В экспериментах на крысах при сочетанном поступлении в организм

226Ra и гербицида ТМТД (тетраметилурам-дисульфид) в тече-

ние длительного срока (1.5 лет) по целому ряду показателей установлены различные типы взаимодействий, как синергические, так и антагонистические в зависимости от используемого теста, поколения, помета животных. Сам факт обнаружения в эксперименте синергических изменений показателей жизнедеятельности, в особенности интегральных, у животных, подвергшихся комбинированному воздействию, и их потомков свидетельствует об определенной опасности совместного воздействия 226Ra и этого популярного гербицида на организм.

В опытах на крысах исследовано комбинированное действие пестицидов и 90Sr на лимфоидную ткань. У лабораторных животных при сочетанном воздействии 90Sr и пестицидов общая закономерность изменения числа лимфоцитов во многом сходна с таковой при раздельном действии факторов (лимфопеническая реакция). Во всех исследованных органах при комбинированном воздействии проявляется большая интенсивность снижения количества лимфоцитов, чем при раздельном действии. Эти результаты также указывают на синергическое взаимодействие. Количественный анализ эффектов отдельного действия 90Sr и хлорофоса, а также их комбинации на количество лимфоцитов в селезенке крыс через 12 мес. после начала эксперимента показывает, что происходит суммация поражающего действия факторов при их совместном применении. Аналогичная закономерность наблюдается в тимусе и лимфоузлах почти во все сроки обследования при радиационно-химических воздействиях.

12.4.3. Ионизирующие излучения и действие ядов различной природы

Окись углерода (СО) относится к числу наиболее распространенных промышленных и бытовых ядов, которые образуются в результате неполного сгорания углеродсодержащих материалов и часто являются причиной острых отравлений при различного рода авариях и несчастных случаях. Атмосфера городов и населенных пунктов в результате интенсивного развития автотранспорта загрязняется окисью углерода, достигая концентраций, опасных для здоровья. Установлено, что отравление окисью углерода ослабляет поражающее действие ионизирующего излучения, уменьшает смертность облученных животных. Например, выживаемость мышей, дышавших несколько секунд чистой смесью окиси углерода непосредственно перед рентгеновским облучением в дозе 8 Гр, повышалась. Установлено, что защитное действие окиси углерода проявляется в определенной концентрации СО и дозы ионизирующего излучения. В зависимости от концентрации СО и дозы ионизирующего излучения проявляется как антагонистическое, так и аддитивное и синергическое взаимодействие повреждений, индуцированных обоими агентами. Конечный эффект определяется соотношением доз радиации, концентрации яда и продолжительности его действия.

Цианиды относят к числу ядов, вызывающих тканевую гипоксию – пониженное содержание кислорода в крови. Хорошо известно, гипоксия защищает от действия ионизирующего излучения большинство облучаемых объектов. В литературе имеются противоречивые сведения о радиомодифицирующем действии цианидов: от явно благоприятного влияния введения животным цианистого калия перед облучением, так и его использования для повышения радиочувствительности опухолей. Показано, что существенное значение для проявления эффекта имеет продолжительность облучения, связанная с мощностью облучения, а также время, прошедшее от введения яда и начала действия радиации. Известно, что скорость метаболизма цианида очень высока, и его эффективная концентрация в тканях сохраняется относительно короткий срок.

Двуокись азота (NO2) тоже вызывает тканевую гипоксию. Она образуется в результате различных химических производств, входит в состав взрывных и выхлопных газов, является постоянным компонентом атмосферы больших городов и токсических туманов – смогов. В атмосфере за счет многократного увеличения количества оксидов азота, угарного газа, озона, частиц дыма под влиянием мощного потока ультрафиолетового излучения формируется фотохимический смог столь высокой интенсивности, что он представляет серьезную опасность для страдающих заболеваниями сердечно-сосудистой и дыха-

тельной систем, для здоровья пожилых людей и детей. Из всех окислов азота двуокись наиболее опасна – ее токсичность в 4–5 раз выше, чем токсичность окиси азота. Установлено, что даже менее токсичная окись азота в опытах с фагом Т2 и бактериями Schigella sonnei проявляет радиосенсибилизирующий эффект, а закись азота оказывает защитное действие при облучении проростков бобов Vicia faba и мышей.

К ядам-неэлектролитам относится большая группа соединений различной химической природы, обладающих наркотическим действием. К ним можно отнести депрессанты (ароматические и алифатические углеводороды, хлорированные и фторированные углеводороды, спирты, кетоны и эфиры). Известно, что наркотики при предварительном или одновременном воздействии с облучением ослабляют тяжесть радиационного поражения. Имеются сведения о том, что эфир, гексанал и пентабарбитал обладают радиозащитным действием, снижающим эффективность действия ионизирующего излучения за счет уменьшения потребления кислорода при наркозе.

Острое ингаляционное воздействие ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилола) вызывает наркоз, поражение центральной нервной системы, а при высоких концентрациях – судороги, смерть от паралича дыхательного центра. При комбинированном действии бензола и g-излучения в опытах на крысах показано, что хроническое действие бензола сопровождается повышением частоты аберраций хромосом по сравнению с уровнем спонтанных поломок у контрольных животных. При комбинированном хроническом (3 мес.) воздействии бензола и излучения наблюдается усугубление биологического эффекта, отмеченное более тяжелыми проявлениями, чем при раздельном действии данных факторов. При этом изменение отдельных показателей при комбинированных воздействиях превышало простую сумму эффектов, вызываемых изолированным действием бензола и g-излучения.

Яды животных. Большинство ядов, вырабатываемых ядовитыми животными, обладает высокой биологической активностью и разносторонним действием на организм. Пчелиный яд – сложное вещество, в состав которого входят многие полипептиды, ферменты, а также серотонин, норадреналин, ацетилхолин. Отмечено отчетливо выраженное (при введении за 24 ч до облучения) радиозащитное действие пчелиного яда, которое исчезает, если оно вводится мышам за 30 мин. или непосредственно перед облучением. Для радиозащитного эффекта яда имеют важное значение доза и мощность облучения. При изучении радиомодифицирующего действия ядов различных змей (гюрзы, эфы, кобры) весьма сложной оказалась зависимость выживаемости мышей после комбинированного действия излучения и змеиных ядов, введенных за 30 мин. до облучения. В зависимо-

сти от соотношения доз и типа используемого яда был получен и радиозащитный, и радиосенсибилизирующий эффект.

Итак, можно отметить, что характер взаимодействия многих ядов с ионизирующим излучением может быть антагонистическим, аддитивным или синергическим. Максимальный эффект взаимодействия во многом зависит от оптимального соотношения концентраций препаратов и доз ионизирующего излучения.

12.4.4. Комбинированное радиационно-термическое поражение

Наиболее убедительные данные синергического взаимодействия при действии на клетки животных и человека получены при сочетанном действии ионизирующего излучения и гипертермии (повышенной температуры). К настоящему времени известны и детально описаны многочисленные факты о биологических эффектах, индуцируемых комбинированным действием ионизирующего излучения и гипертермии.

Действие самой гипертермии (42–45 °С) вызывает в живом организме многочисленные изменения метаболизма клетки и ее структурных единиц, к которым можно отнести следующие: подавление синтеза нуклеиновых кислот, белков и ферментов, в том числе ферментов репарации; нарушение структуры ДНК и процессов дыхания клеток; увеличение проницаемости мембран; выход гидролаз из лизосом.

Первые работы, свидетельствующие об усилении радиационного поражения клеток при их дополнительном прогревании при субоптимальных температурах, стали появляться в середине ХХ столетия. В дальнейшем поток экспериментальных работ значительно возрос и стали появляться клинические данные об успешном лечении опухолей человека при комбинировании ионизирующего излучения и гипертермии. Оказалось, что синергизм при сочетанном действии можно наблюдать как при одновременном действии агентов, так и при применении гипертермии до и после облучения. Но при увеличении интервала времени между использованием этих агентов эффект действия снижается, переходя в аддитивный. Хорошо изучены примеры комбинированного действия ионизирующего излучения и гипертермии на вирусы, споры бактерий, дрожжевые клетки, культивируемые клетки млекопитающих.

В настоящее время в литературе широко рассматриваются молекулярные механизмы синергических эффектов комбинированного действия ионизирующего излучения и гипертермии. Из возможных механизмов усиления радиационного эффекта гипертермией наиболее приемлемым объяснением является угнетение системы пострадиационного восстановления, в результате чего в клетках начинают преобладать процессы по-

ражения ДНК над процессами восстановления. Подавление репарации и синтеза ДНК не является единственной причиной инактивации клеток при совместном действии ионизирующего излучения и гипертермии. Изменение проницаемости мембран, активности мембранно-связанных, гидролизующих, репарирующих и других ферментов клеточного метаболизма тоже будут вносить вклад в проявление синергических эффектов при комбинированном действии ионизирующего излучения и гипертермии.

12.4.5. Факторы окружающей среды и рак

Вредное воздействие окружающей среды в комплексе с радиоактивным загрязнением может вызывать различные онкологические заболевания у людей. Особенно это актуально для многих промышленно-индустриальных регионов России, Украины, Беларуси, характеризующихся не только химическим, но и радиоактивным загрязнением окружающей среды. Имеются данные о том, что до 70–90% злокачественных опухолей человека возникают в связи с воздействием этих вредных факторов.

Способностью к усилению канцерогенеза обладают распространенные в окружающей среде химические соединения, в частности, четыреххлористый углерод, фенол, этиловый спирт. Возможны несколько механизмов синергического взаимодействия двух канцерогенов. По современным представлениям в основе возникновения злокачественных новообразований лежат мутации, приводящие к онкогенной трансформации. Вредные агенты действуют на мишени клеток, в первую очередь на ДНК, повреждения в которой являются ответственными за неконтролируемое размножение клеток, т.е. за злокачественную трансформацию. Многие загрязнители окружающей среды могут частично нарушать процессы пострадиационного восстановления, тем самым повышая вероятность образования клетоконкогенов. Радиация и различного рода химические соединения вызывают нарушения иммунологической реактивности организма, тем самым снижая защитные барьеры иммунитета, создают благоприятные условия для развития и роста опухолевых клеток. Таким образом, хроническое радиоактивное загрязнение может являться несомненным фактором развития злокачественных новообразований.

Например, в промышленном центре Среднего Урала, в котором расположены предприятия, производящие алюминий, чугунное литье, сплавы цветных металлов, а также крупная электростанция, население подвергается загрязнению в результате выбросов этих промышленных производств и интенсивного движения автотранспорта. Атмосфера загрязнена фторидами, полициклическими ароматическими углеводородами, свинцом, медью и некоторыми другими токсическими металлами,