Александров Ю.А. Основы радиационной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

3.4. Молекулярные повреждения, возникающие в клетках

121

R–S

+ R–SH  R–S–S–R + Н

Кроме того, дисульфиды могут образовываться путем рекомбинации

появляющихся при облучении радикалов R–S

2R–S

 R–S–S–R

или в результате взаимодействия тиолов с Н

2R–SH + Н

 R–S–S–R + H

Радиационно-химические повреждения структуры белка могут воз-

никать и в результате реакций дезаминирования:

– СН

– СОО

–

+ НО

 НО – СН

– COO

–

+ N

Радиационно-химические изменения белков, прежде всего измене-

ния их вторичной и третичной структуры, могут привести к изменению

биологических свойств, в том числе ферментативной активности.

В липидной фракции первичные изменения при воздействии иони-

зирующих излучений состоят в образовании свободных радикалов, ко-

торые, взаимодействуя с кислородом, являются источником возникно-

вения перекисных соединений. Последние в свою очередь могут всту-

пать в реакцию с жирами, в результате чего образуются гидроперекиси:

LH  L

+ Н

;

+ О



LO + LH  LOOH + L

;

HO  LOOH,

где L

– радикал липида.

Гидроперекиси очень нестойки и при наличии ионов металлов с пе-

ременной валентностью легко распадаются с образованием ряда высо-

коактивных радикалов:

LOOH  L

+ НО

; LOOH  LO

+ НО

–

; LOOH 

LO + Н

Образовавшиеся радикалы могут дать толчок к развитию цепных ре-

акций окисления, в том числе перекисного окисления липидов.

Перекисные соединения разрушаются в дальнейшем с образованием

оксикислот, альдегидов и других продуктов окисления жиров. При об-

лучении большими дозами радиации происходит декарбоксилирование

жирных кислот и даже их распад.

Важные последствия лучевых повреждений структуры липидов про-

являются в нарушении строения клеточных мембран. Вовлечение ли-

пидов мембран в процессы перекисного окисления может вызывать де-

струкцию липопротеидных комплексов, что служит причиной измене-

ния проницаемости мембран, смещения ионных градиентов в клетке,

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

122

нарушения процессов адсорбции и активного транспорта ряда веществ.

Нарушаются также процессы окислительного фосфорилирования, нор-

мальное течение которых обеспечивается упорядоченной локализацией

ферментов на мембранах. Повреждение мембран лизосом приводит к

выходу и активации гидролитических ферментов.

Продукты перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот

вследствие обнаруженных у них радиомиметических свойств (способ-

ность вызывать разрывы цепей ДНК, возникновение хромосомных

аберраций, подавление репарации повреждений ДНК) получили наи-

менование первичных или липидных радиотоксинов, и им отводится

существенная роль в дальнейшем развитии лучевого поражения клетки.

К первичным радиотоксинам относят также обнаруживаемые в облуча-

емых клетках хиноны и семихиноны – продукты окисления фенолов

(по Ю.Б. Кудряшову, 2001).

Изменения структуры углеводов наблюдаются преимущественно

при воздействии высоких доз ионизирующих излучений. Они сводятся к

деполимеризации и окислению полисахаридов, что приводит к распаду

углеводородной цепи и образованию кислоты формальдегида. Среди

продуктов распада углеводов могут обнаруживаться глиоксаль и гиалу-

роновые кислоты. Довольно существенное значение для развития изме-

нений в соединительнотканных структурах имеет распад мукополисаха-

ридов, в частности, гиалуроновой кислоты.

По степени проявления морфологических изменений клетки и ткани

млекопитающих, т.е. по степени возрастания радиочувствительности

можно расположить в следующем порядке: нервная ткань, хрящевая и

костная ткань, мышечная ткань, соединительная ткань, щитовидная же-

леза, пищеварительные железы, легкие, кожа, слизистые оболочки, по-

ловые железы, лимфоидная ткань и костный мозг.

Таблица 34 – Радиочувствительность клеток по Д

, Гр

Виды тканей Д

Лимфоидные клетки 0,5

Клетки костного мозга (кроветворные) 0,9-1,0

Клетки эпителии кишечника 1,3

Клетки спермиогонного эпителия 1,7

Эпителии почечных канальцев 1,5-1,6

Эпителии альвеол молочной железы 1,3

Фолликулы щитовидной железы 2,0

Примечание. Д

– доза, при которой доля живых клеток уменьшается в сравнении

с исходной в е раз (е – основание натуральных логарифмов = 2,72).

3.4. Молекулярные повреждения, возникающие в клетках

123

Исходы поражения зародышевых и соматических клеток при воз-

действии ионизирующей радиации различны. Когда поражаются заро-

дышевые клетки, возникающие мутации (генные и хромосомные) с той

или иной скоростью, зависящей от степени доминантности и от степени

снижения жизнеспособности, элиминируются (выводятся) из популя-

ции. Но многие мутации, в особенности рецесивные, благодаря генети-

ческому дрейфу и эффекту родоначальника, могут размножаться в по-

пуляции и приводить к увеличению числа случаев врожденных уродств,

аномалий обмена веществ и т.д.

Мутационные изменения в соматических клетках могут выражаться

в гибели клеток или в приобретении клеткой новых наследственных

свойств, которые проявляются процессами малигнизации, преждевре-

менного старения клеток и тканей, развитием новообразований.

Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что критической мише-

нью радиационного поражения клеток является ДНК, облучение на кле-

точном уровне приводит к замедлению прохождения цикла деления

клетки, образованию хроматидных и хромосомных аберраций, возник-

новению микроядер, гибели клеток по апоптотическому и некротиче-

скому пути в интерфазе деления и после вступления в митоз.

Мутагенное воздействие ИИ впервые установили отечественные

ученые Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в 1925 г. в опытах на дрожжах.

В 1927 году это открытие было подтверждено Г. Меллером на классиче-

ском генетическом объекте – дрозофиле. ИИ способны вызывать все

виды наследственных изменений – генные, хромосомные, геномные.

Эти изменения носят дозозависимый характер и современными пред-

ставлениями считается, что любая дополнительная выше природного

радиационного фона (ПРФ) доза ИИ, независимо от величины и мощно-

сти приводит к опасности кумулятивного генетического эффекта и спо-

собна вызвать генетические изменения, поскольку биологическая репа-

рация мутации невозможна (Коглл Дж., 1986).

Таким образом, прямое и косвенное действие ионизирующего излу-

чения на биологические молекулы приводит к тому, что в живом орга-

низме отмечается много разных биологических эффектов, наблюдаемых

после облучения, которые представлены в таблице 35.

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

124

Таблица 35 – Типы радиологических повреждений

Тип биологической

организации

Важнейшие радиационные эффекты

Молекулярный Повреждение макромолекул – ферментов, РНК, ДНК, воздействие

на обменные процессы

Субклеточный Повреждение клеточных мембран, ядер, хромосом митохондрий и

лизосом, высвобождение их ферментов

Клеточный Нарушения деления клеток, их гибель и трансформация, в т.ч. зло-

качественная

Ткани, органы Нарушения в красном костном мозге, желудочно-кишечном трак-

те, центральной нервной системе могут привести к радиационным

повреждениям и гибели, отдаленным последствиям

Организм Различные виды радиационных последствий, вплоть до

летального исхода

Популяции Изменение генетических характеристик вследствие генных, хро-

мосомных мутаций у индивидуумов

3.5. ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

НА КРИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА

Критическими системами организма при воздействии ионизи-

рующей радиации являются ткани и органы с интенсивным делением

клеток – кроветворная система, органы иммунной системы, гонады,

слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта и др.

3.5.1. Основные механизмы гемо- и иммунопоэза

Костный мозг – типичный образец системы клеточного обновле-

ния, обеспечивающей поддержание постоянства числа клеток с ограни-

ченным периодом жизни, в данном случае – клеток крови. В костном

мозге, как и в других органах гемопоэза, различают собственно крове-

творные клетки и стромальные элементы, создающие необходимое мик-

роокружение для размножения и развития кроветворных клеток.

В соответствии с признаваемой большинством исследователей уни-

тарной моделью кроветворения родоначальными для всех ростков ге-

мопоэза являются полипотентные стволовые кроветворные клетки. От-

личительной их чертой является то, что стволовые клетки способны

3.5. Действие ионизирующих излучений на критические системы организма

125

делиться неограниченное число раз, воспроизводя себе подобных. Часть

же потомков стволовых клеток коммитируется, то есть приобретает

способность к дифференцировке в направлении ограниченного числа

ростков или даже какого-то одного определенного ростка кроветворе-

ния. Пролиферативная активность и способность к самоподдержанию

коммитированных стволовых клеток ограничены. Под терминами

«стволовой пул» и «стволовой отдел» кроветворной системы понимают

совокупность полипотентных и коммитированных стволовых крове-

творных клеток (СКК).

Рис. 10. Схема функционирования систем клеточного обновления

(по Т. Флиднеру, 1974)

Считается, что у человека около 0,3-0,7% клеток костного мозга от-

носятся к стволовому пулу. Причем в норме около 90% стволовых кле-

ток находятся в стадии покоя (Go-стадия) клеточного цикла.

Пройдя ряд делений – стадий созревания, клетки полностью утра-

чивают свойства стволовых и дают начало уже морфологически распо-

знаваемым клеткам-предшественникам. Последние способны совершить

еще несколько делений (обычно 4-5), одновременно созревая, и состав-

ляют так называемый пролиферативно-созревающий (делящийся-

созревающий) пул или отдел. В миелоидном ряду в состав этого пула

входят миелобласты, промиелоциты, миелоциты; в эритроидном – эрит-

робласты, пронормоциты, базофильные и полихроматофильные нормо-

циты и т.д.

Утратив способность к пролиферации, кроветворные клетки про-

должают дифференцировку уже без деления и формируют созревающий

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

126

пул. В миелоидном ряду – это метамиелоциты, отчасти палочкоядерные

гранулоциты; в эритроидном – оксифильные нормоциты, ретикулоциты.

И лишь завершив созревание, клетки выходят в циркуляцию, образуя

функциональный пул: сегментоядерные гранулоциты, моноциты, эрит-

роциты, пластинки (отшнуровавшиеся участки цитоплазмы мегакарио-

цитов). Предшественники лимфоцитов также образуются из полипо-

тентной стволовой кроветворной клетки в костном мозге. В-лимфоциты

дозревают здесь же, а предшественники Т-лимфоцитов мигрируют в ви-

лочковую железу, где после прохождения иммунологического отбора

(гибели клеток, реагирующих на аутоантигены) оставшиеся клетки доз-

ревают в корковом веществе. Зрелые Т- и В-лимфоциты поступают в

периферическую кровь и многократно мигрируют через вторичные

лимфоидные органы (лимфатические узлы, селезенку, миндалины, пей-

еровы бляшки). Под влиянием антигенных стимулов происходит диф-

ференцировка чувствительных к этим антигенам лимфоцитов, их после-

дующая пролиферация на территориях вторичных лимфоидных органов

и созревание (В-лимфоциты частично превращаются в плазматические

клетки).

Полагают, что у человека время прохождения гранулоцитов через

пролиферативно-созревающий пул составляет 4-6 сут. и примерно

столько же времени требуется для прохождения через пул созревания.

Эритроциты развиваются в костном мозге в течение 7-8 сут., тромбоци-

ты – 5-7 сут., а моноциты созревают за 55-60 часов. В периферической

крови зрелые гранулоциты сохраняются в среднем 8-10 ч, после чего

мигрируют в ткани, где существуют еще 1-2 суток. Период жизни в

крови эритроцитов составляет 100-120 сут., тромбоцитов – 8-10 сут., а

моноциты находятся в функциональном пуле около 30-60 ч (по некото-

рым данным 12-20 ч), после чего мигрируют в ткани, где трансформи-

руются в макрофаги. Продолжительность жизни лимфоцитов может со-

ставлять от нескольких суток до многих десятков лет.

Ежедневно кроветворной тканью человека производится около

12 × 10

гранулоцитов, 15 × 10

тромбоцитов, 2 × 10

лимфоцитов,

24 × 10

эритроцитов.

Клетки крови осуществляют в организме многие жизненно важные

функции.

Г Р А Н У Л О Ц И Т Ы (в основном нейтрофилы, но также и эозинофи-

лы, ба-зофилы) содержат многочисленные мембранные структуры и бо-

гаты лизосомами. Гранулы нейтрофилов и эозинофилов содержат в

большом количестве бактерицидные вещества. В гранулах базофилов

содержатся гепарин и вазоактивные амины. Благодаря способности к

3.5. Действие ионизирующих излучений на критические системы организма

127

хемотаксису и особым рецепторным свойствам гранулоциты быстро и в

большом количестве накапливаются в воспалительных очагах, выпол-

няя там свои основные функции: биоцидную (внеклеточный киллинг и

фагоцитоз микроорганизмов), цитотоксическую (участие в механизмах

противоопухолевого иммунитета) и регуляторную (регуляция процессов

воспаления, регенерации тканей и т.п.).

М О Н О Ц И Т Ы , проникая из крови в соединительную ткань, особен-

но в таких органах, как печень, селезенка, костный мозг, легкие, транс-

формируются в макрофаги. Тканевые макрофаги вместе с циркулирую-

щими в крови моноцитами формируют так называемую систему

мононуклеарных фагоцитов или, по-старому, ретикулоэндотелиальную

систему. Клетки этой системы активно фагоцитируют микробы, вирус-

ные частицы, продукты распада клеток, старые эритроциты и другие ан-

тигенные материалы, подготавливают антигены для распознавания их

лимфоцитами, синтезируют и секретируют ряд медиаторов иммунного

ответа (интерферон, лизоцим, простагландины и т.п.) и другие биологи-

чески активные вещества. Клетки системы мононуклеарных фагоцитов

активно вырабатывают интерлейкин-1 (цитокин), как непосредственно

влияющий на пролиферацию и дифференцировку кроветворных клеток,

так и стимулируюший размножение фибробластов и выработку по-

следними колониестимулирующих факторов и ряд других цитокинов.

Т Р О М Б О Ц И Т Ы (кровяные пластинки) представляют собой фраг-

менты цитоплазмы мегакариоцитов. Они играют важнейшую роль в

процессе свертывания крови, непосредственно участвуя в образовании

кровяного тромбопластина, ретракции кровяного сгустка и выполняя

другие функции. Кроме того, они обладают ангиотрофической или эн-

дотелий поддерживающей функцией, способствуют сохранению нор-

мальной структуры сосудистой стенки, ее резистентности и непрони-

цаемости для эритроцитов. Краевое стояние тромбоцитов обеспечивает

прикрытие межэндотелиальных щелей в стенках капилляров, а фраг-

менты тромбоцитов включаются в цитоплазму эндотелиальных клеток,

обеспечивая снабжение последних необходимыми субстратами. Тром-

боциты также образуют «пробки» у мест повреждения сосудистого эн-

дотелия и транспортируют туда необходимые для свертывания факто-

ры. Кроме того, тромбоциты принимают участие в воспалительной ре-

акции, освобождая бактерицидные продукты.

Л И М Ф О Ц И Т Ы являются важнейшими компонентами системы

специфической защиты организма – иммунитета. Основной функцией

В-лимфоцитов, как и их потомков – плазматических клеток, является

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

128

участие в реакциях гуморального иммунитета: продукция и секреция

иммуноглобулинов – специфических антител против различных антиге-

нов.

Т-лимфоциты участвуют в осуществлении клеточного иммунитета

путем непосредственного контакта с клетками-мишенями (реакции

трансплантационного иммунитета, гиперчувствительности замедленно-

го типа и др.). Кроме того, специализированные группы Т-лимфоцитов

(супрессоры и хелперы) участвуют в осуществлении кооперативного

взаимодействия клеток разного типа в реакциях как клеточного, так и

гуморального иммунитета, стимулируя или, наоборот, подавляя эти ре-

акции.

К группе Т-лимфоцитов относятся и клетки, влияющие на направле-

ние дифференцировки и процессы миграции стволовых клеток, на про-

цесс послелучевого восстановления костномозгового кроветворения.

Кроме того, Т-лимфоциты способны вырабатывать интерлейкин-3, важ-

ный регулятор пролиферативной активности стволовых кроветворных

клеток.

ЕК-клетки (естественные клетки-киллеры) препятствуют возникно-

вению злокачественных опухолей, вирусных и других инфекционных

заболеваний. Они обладают способностью спонтанно, то есть без пред-

варительной сенсибилизации антигеном, и без ограничений, связанных

с молекулами главного комплекса гистосовместимости, убивать опухо-

левые, вирусинфицированные и другие виды анормальных клеток.

Осуществляя иммунологический надзор, ЕК-клетки организуют «пер-

вую линию защиты» против роста опухолей, метастазов, развития лей-

кемии, вирусных и других инфекционных заболеваний в организме до

того периода, пока в борьбу не вступят антигенспецифические факторы

иммунитета.

Эритроциты являются переносчиками кислорода и углекислоты,

обеспечивая тем самым тканевое дыхание. Они также выполняют важ-

ную роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма.

3.5.2. Влияние облучения на процесс

костномозгового кроветворения

Как уже отмечалось выше, наиболее ранней реакцией миелока-

риоцитов на облучение является временное прекращение деления кле-

ток.

Часть клеток стволового отдела (тем большая, чем выше доза) утра-

чивает пролиферативную активность практически сразу после облуче-

3.5. Действие ионизирующих излучений на критические системы организма

129

ния. Поскольку морфологически стволовые клетки распознать не уда-

ется, нельзя утверждать, что речь идет об истинной гибели стволовых

клеток. Возможно, они лишь перестали делиться или вышли в диффе-

ренцировку. Однако с точки зрения возможности выполнения стволо-

выми клетками своей основной функции, утратившие пролиферативную

активность клетки можно рассматривать как погибшие. По этому пока-

зателю стволовые клетки могут быть отнесены к числу наиболее радио-

чувствительных.

Как видно из таблицы 36, наибольшая радиочувствительность отме-

чается у стволовых и коммитированных клеток (D

от 1,5 до 1,9 Гр).

Миелобласты более устойчивы к действию радиации (D

= 3,0-3,5 Гр), а

промиелоциты и миелоциты весьма радиорезистентны (D

равно 8,5 и

10,0 Гр соответственно). Для эритробластов D

составляет около 1 Гр,

для базофильных нормобластов – 0,5 Гр, полихроматофильных нормоб-

ластов – 4,7 Гр, оксифильных нормобластов – 8,3 Гр, для ретикулоци-

тов – 12,9 Гр. Зрелые клеточные элементы крови (лейкоциты, тромбо-

циты и эритроциты) достаточно устойчивы к действию ионизирующего

излучения (D

> 15 Гр), и изменение их количественного содержания в

крови после облучения связано только с естественным процессом их

убыли после завершения жизненного цикла и отсутствием поступления

в периферическую кровь новых зрелых клеток.

Таблица 36 – Радиочувствительность клеток кроветворной ткани

человека (по данным Г.П. Груздева и соавт., 1992, 1994, 1996)

Гр

ростки кроветворения

Субпопуляции

костного мозга

миелоидный эритроидный мегакариоцитарный

Стволовые клетки

1,6-1,7 1,6-1,7 1,6-1,7

Коммитированные 1,9 1,5-1,7 1,6-1,7

Бластные формы

3,0-3,5 0,5-4,7 –

Созревающий пул

10,0 12,9 12,0

Зрелые клетки > 15,0 > 15,0 > 15,0

Продолжительность блока митозов в клетках пролиферативно-со-

зревающего отдела тем дольше, чем выше доза облучения. Часть этих

клеток погибает в интерфазе или после восстановления деления в одном

из ближайших митозов.

Клетки созревающего отдела при облучении практически не поги-

бают. Созревание клеток и выход их в периферическую кровь продол-

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

130

жаются в том же темпе, что и без облучения. Мало меняется и продол-

жительность жизни зрелых клеток функционального отдела. В резуль-

тате в костном мозге быстро убывает число клеток, вначале наименее

дифференцированных, а затем все более зрелых, так как естественная их

убыль не компенсируется в достаточной степени поступлением новых

клеток из истощенных предшествующих отделов.

После первичного опустошения, прогрессирующего приблизительно

в течение недели, следующей за облучением, наблюдается крат-

ковременное увеличение их числа. Это так называемый «абортивный

подъем», который объясняют тем, что сохранившие жизнеспособность

клетки пролиферирующего отдела (возможно, и частично поврежден-

ные, но способные к некоторому количеству делений стволовые клетки)

после возобновления митотической активности обеспечивают не-

которое повышение клеточности костного мозга. Однако этот источник

при отсутствии пополнения из стволового отдела быстро истощается, и

абортивный подъем сменяется прогрессирующим снижением числа кле-

ток (вторичное опустошение).

Истинное восстановление костномозгового кроветворения в облу-

ченном организме происходит на основе пролиферации сохранивших

жизнеспособность СКК. Характерно, что в начале процесса восстанов-

ления стволовые клетки пролиферируют, воспроизводя себе подобных,

и практически не выходят в следующие пулы (так называемый «блок на

дифференцировку»). И лишь когда их число достигнет уровня, при-

ближающегося к нормальному, начинается поступление клеток в про-

лиферативно-созревающий отдел. Поэтому, чтобы началось восстанов-

ление числа клеток в периферической крови, требуется довольно дли-

тельное время, необходимое для самовоспроизведения популяции

стволовых клеток, прохождения через пролиферативно-созревающий и

созревающий отделы. И только по завершении этих этапов потомки со-

хранившихся стволовых клеток начинают поступать в периферическую

кровь (если, конечно, до этого организм не погибнет).

Чем больше СКК сохранило жизнеспособность, тем раньше начнет

восстанавливаться число функциональных клеток в крови. Количество

сохранившихся стволовых клеток зависит от дозы облучения и их ра-

диочувствительности.

В опытах на мышах показано, что процесс кроветворения может

восстановиться, а часть животных выжить, даже если после облучения

сохранит жизнеспособность лишь одна стволовая клетка из тысячи. По-

мимо количества сохранившихся клеток стволового отдела, возмож-

ность и скорость восстановления кроветворения зависят от уровня про-