Александров Ю.А. Основы радиационной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

3.5. Действие ионизирующих излучений на критические системы организма

131

лиферагивной активности (скорости деления) этих клеток, темпов деле-

ния и созревания в отделах морфологически распознаваемых пред-

шественников. Показано, что после облучения темп пролиферации

стволовых клеток усиливается, вследствие чего время удвоения их чис-

ла сокращается с 5-6 сут. до 1 суток.

Глубина и продолжительность аплазии кроветворной ткани оказы-

вается тем больше, чем выше доза облучения. Однако из этого правила

имеются исключения. После облучения в высоких дозах (у человека –

5,5 Гр) темп восстановления миелоидного ростка кроветворения ока-

зывается существенно выше, и количество клеток в костном мозге и

крови восстанавливается до контрольного уровня раньше, чем после

воздействия в дозах 2-3 Гр, несмотря на то что степень опустошения в

первом случае была гораздо сильнее. Причина этого явления не вполне

ясна.

В случае неравномерного облучения или полного экранирования от-

дельных участков тела поражение органов кроветворной системы мо-

дифицируется за счет миграции клеток из менее облученных отделов.

Этот механизм обеспечивает более быструю репопуляцию облученных

органов, чем при общем равномерном облучении.

Стромальные элементы костного мозга довольно радиорезистентны.

В первые недели после облучения в дозах, при которых развитие пато-

логического процесса связано главным образом с поражением кровет-

ворной системы, покоящиеся стромальные фибробласты мало повреж-

даются. Сохраняется, а иногда и возрастает их функциональная актив-

ность как продуцентов простагландина Е и колониестимулирующих

факторов (КСФ). Поэтому при общем облучении в дозах, при которых

сохраняется совместимое с выживанием число СКК, повреждения стро-

мальных элементов мало выражены, и значение их в развитии аплазии

костного мозга невелико. При облучении в более высоких дозах (поряд-

ка 100 Гр), применяемых, в частности, при лучевой терапии опухолей,

часть зрелых фибробластов погибает, в то же время секреция ими про-

стагландина Е и КСФ повышается.

Что касается родоначальных для фибробластов клеток (КОЕ-Ф), то

они у человека достаточно радиочувствительны: D

= 1,3 Гр. Кроме то-

го, в периоде, когда костномозговое кроветворение восстанавливается,

КОЕ-Ф пролиферируют очень вяло. Эти особенности могут иметь зна-

чение для развития отдаленных изменений в системе кроветворения, та-

ких как апластическая анемия и т.п.

При морфологическом исследовании после облучения в высоких до-

зах (порядка 10 Гр) уже через несколько часов в красном костном мозге

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

132

наблюдают повреждения ядер клеток: пикноз, кариорексис (апоптоз),

кариолизис. Иногда разрушается и цитоплазма (цитолиз). Костномозго-

вые синусы расширяются, эритроциты выходят в паренхиму костного

мозга. Еще через несколько часов начинается процесс фагоцитоза по-

врежденных миелокариоцитов: фрагменты ядер, а иногда и цельные

клетки, обнаруживают в костномозговых макрофагах. У крыс уже через

1-2 сутки после сверхлетального облучения костный мозг очищается от

продуктов клеточного распада, остаются лишь стромальные элементы.

Развитие некротических изменений в клетках костного мозга сопровож-

дается сосудистыми реакциями, и гистологическая картина костного

мозга может быть охарактеризована как воспаление с характерными для

него фазами альтерации, экссудации, а в последующем – развития репа-

рационных процессов. В опустошенной отечной строме костного мозга

наблюдаются геморрагии. Костный мозг через 3 суток после облучения

в сверхлетальной дозе выглядит как «озеро крови». Незадолго перед

смертью в костном мозге обнаруживаются бактерии.

При более низких дозах облучения изменения менее выражены. В

случаях, заканчивающихся выздоровлением, вначале появляются от-

дельные очаги кроветворения, со временем они сливаются. У человека

через 2 суток после облучения в дозах 2-6 Гр гистологическое исследо-

вание срезов костного мозга позволяет обнаружить снижение количест-

ва клеток эритроидного и гранулоцитарного ростков в 1,5-2 раза по

сравнению с нормой, участки с обнаженной стромой, отечность основ-

ного вещества, мелкие кровоизлияния.

Позднее в костном мозге наблюдается прогрессирующее нарастание

содержания стромальных элементов: фибробластов, ретикулярных кле-

ток, макрофагов. После облучения в дозах 2-4 Гр в начале второй неде-

ли в период, соответствующий описанному ранее абортивному подъему,

отмечается повышение митотической активности клеток костного моз-

га, увеличивается количество недифференцированных клеток. К концу

третьей недели обнаруживается увеличение числа клеток гранулоцитар-

ного и эритроидного ростков. При более высоких дозах облучения про-

явления абортивного подъема выражены значительно слабее.

С конца третьей недели после облучения в дозах более 2-3 Гр в ко-

стном мозге прогрессирует аплазия, проявляющаяся жировой атрофией.

Площадь жировой ткани на срезах костного мозга может достигать 80%.

Одновременно обнаруживаются и признаки регенерации: микроочаги

недифференцированных клеток и клеток ранних генераций эритроидно-

го и миелоидного ростков, а также усиление пролиферации стромаль-

ных клеток. В последующем очаги кроветворной ткани разрастаются

3.5. Действие ионизирующих излучений на критические системы организма

133

достаточно быстро, обеспечивая восстановление функции кроветво-

рения.

Даже спустя год после облучения в дозах 2-4 Гр структура костного

мозга восстанавливается не полностью. Сохраняются крупные очаги

жировой дистрофии, увеличено по сравнению с нормой количество

стромальных клеток, гемопоэтическая ткань в паренхиме костного моз-

га представлена не диффузно, а отдельными крупными очагами. После

радиационного воздействия в дозах 5 Гр и выше в эти сроки в костном

мозге наблюдаются распространенные очаги гипоплазии.

Морфологические изменения костномозговых клеток, связанные с

их непосредственным повреждением (пикноз ядра, кариорексис, раз-

рушение или отечность ядра), обычно удается зарегистрировать в пер-

вые часы после облучения. Разрушенные клетки довольно быстро уда-

ляются. Позже начинают обнаруживаться клетки с аномалиями, свя-

занными с нарушениями митозов: гигантские клетки, клетки с

гиперсегментированным ядром, с аномальными митотическими фигу-

рами (мосты в ана- или телофазе), хромосомные фрагменты в интер-

фазных клетках. Максимум выхода этих клеток приходится на 12-24 ч

после облучения. К третьему дню большинство таких клеток также ис-

чезает.

3.5.3. Постлучевые изменения морфологического

состава периферической крови

Убыль числа функциональных клеток начинается, когда послед-

ние клетки, поступившие к моменту облучения в созревающий отдел,

выйдут в периферическую кровь, то есть через срок, соответствующий

времени прохождения клеток через этот отдел в норме. Содержание в

крови нейтрофильных гранулоцитов, прохождение которых через отдел

созревания составляет 5-6 суток, начинает снижаться именно с этого

времени.

Скорость уменьшения числа клеток в крови тем выше, чем короче

продолжительность их циркуляции после выброса из костного мозга.

Довольно большой срок между облучением и развитием максимальной

нейтропении (это происходит к концу третьей недели) объясняется тем,

что с середины второй недели после облучения в периферической крови

развивается абортивный подъем содержания гранулоцитов.

Причины выброса в кровь в это время значительного числа зрелых

нейтрофильных клеток связывают с влиянием на костный мозг экст-

рамедуллярных факторов, в частности, с возрастанием в крови на ран-

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

134

них сроках после облучения содержания катехоламинов и других био-

логически активных веществ.

В динамике изменения числа нейтрофилов крови после облучения

можно выделить несколько фаз:

− начальный или первичный нейтрофилез;

− лаг-фаза (в это время естественный выход в ткани нейтрофилов

крови компенсирован поступлением этих клеток из пула созревания);

− первичное опустошение;

− абортивный подъем;

− вторичное опустошение;

− восстановление.

Лимфоциты погибают уже в ранние сроки после облучения; соот-

ветственно их уровень в периферической крови быстро снижается.

Рис. 11. Динамика изменений числа гранулоцитов в крови после

общего облучения (по С. Киллмэну, 1974):

1 – первичный нейтрофилез; 2 – лаг-фаза; 3 – первичное опустошение; 4 – абортивный

подъем; 5 – вторичное опустошение; 6 – восстановление

При резком снижении после облучения общего числа лейкоцитов в

крови можно говорить о не менее глубоком уменьшении абсолютного

количества моноцитов.

Содержание тканевых макрофагов в течение первой недели после

облучения существенно не меняется. Функциональная активность этих

клеток также не изменяется или даже оказывается повышенной. В то же

время загруженность этих клеток продуктами тканевого распада снижа-

ет эффективность их участия в системе противомикробной защиты.

В периоде выраженных клинических проявлений лучевого поражения

число клеток системы мононуклеарных фагоцитов снижается.

3.5. Действие ионизирующих излучений на критические системы организма

135

Динамика содержания тромбоцитов после облучения имеет сходство

с изменениями количества нейтрофилов. Абортивный подъем бывает

выражен только после облучения в сравнительно невысоких (примерно

до 3,5 Гр) дозах. В фазе вторичного опустошения наблюдается глубокая

тромбоцитопения: к концу 3-4-й недели после облучения в среднеле-

тальных дозах количество тромбоцитов достигает 5-8% от нормального

уровня.

Содержание эритроцитов после облучения уменьшается в медлен-

ном темпе и умеренно, поскольку зрелые эритроциты достаточно ра-

диорезистентны, а продолжительность жизни этих клеток составляет

около 100 дней. Даже при полном прекращении их образования число

эритроцитов в крови вследствие естественного отмирания снижается

примерно на 1% за день (если нет осложняющих ситуацию кровотече-

ний).

Глубина цитопении прямо зависит от дозы облучения. При дозах

порядка 5-6 Гр нейтрофилы и тромбоциты могут вовсе не обнаружи-

ваться в мазках периферической крови. Промежуток времени, необхо-

димый для восстановления числа этих клеток до исходного уровня по-

сле облучения в высоких дозах, может оказаться, как об этом уже

говорилось при характеристике изменений в кроветворных органах, ко-

роче, чем при воздействии меньших доз.

Кроме количественных сдвигов в клетках крови после облучения

обнаруживаются и морфологические изменения: гомогенизация ядер

лимфоцитов, появление лимфоцитов с микроядрами, гигантских ги-

персегментированных нейтрофилов, гигантских тромбоцитов.

3.5.4. Влияние облучения на иммунную систему

Основной функцией иммунной системы является защита орга-

низма от воздействия чужеродных антигенов и контроль за поддержа-

нием генетического постоянства внутренней среды организма. Эту

функцию иммунная система выполняет с помощью естественных и

адаптивных (приобретенных) механизмов. В основе естественного им-

мунитета лежит действие неспецифических механизмов, связанных с

функционированием клеточных (нейтрофилы, макрофаги, ЕК-клетки

(естественные киллеры) и др.) и гуморальных (комплемент, лизоцим,

интерфероны и др.) факторов. Факторы естественного иммунитета от-

носительно радиоустойчивы и поражаются лишь при очень высоких до-

зах облучения. Специфический иммунитет, основанный на свойствах

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

136

Т- и В-лимфоцитов избирательно отвечать на чужеродные вещества,

напротив, высоко чувствителен к действию радиации.

Лимфоциты относятся к числу наиболее радиочувствительных кле-

ток в организме, и гибель их отмечается уже после радиационного воз-

действия в десятых долях грея. При этом погибают не только молодые

делящиеся клетки, но и (исключение из правила Бергонье и Трибондо)

зрелые лимфоциты, которые в обычных условиях (без антигенной сти-

муляции) не делятся. Среди радиочувствительных клеток, подвержен-

ных интерфазной гибели при дозах, близких или даже более низких, чем

вызывающие репродуктивную гибель стволовых кроветворных клеток,

выделяются Т-лимфоциты (Т-хелперы и Т-супрессоры), В-лимфоциты и

тимоциты вилочковой железы. Радиочувствительность В-лимфоцитов

выше, чем Т-лимфоцитов, а радиационная устойчивость Т-супрессоров

несколько больше, чем Т-хелперов. Тимоциты также различаются по

своей радиочувствительности: максимальная радиопоражаемость отме-

чается у камбиальных клеток, а наибольшая радиорезистентность – у

эпителиальных клеток. Кроме того, среди Т-лимфоцитов имеется срав-

нительно небольшая популяция радиоустойчивых клеток, которые со-

храняют свою функциональную активность после облучения в весьма

высоких дозах (6-10 Гр, а по некоторым данным – до 20 Гр). Эти клетки

являются одновременно кортизонорезистентными. Их содержание со-

ставляет около 3-8% от всех Т-лимфоцитов, и, возможно, они представ-

ляют собой Т-клетки памяти.

С высокой радиочувствительностью зрелых популяций лимфоцитов

крови и их интерфазной гибелью в первый день после воздействия ио-

низирующего излучения связано и быстрое развитие лимфопении после

облучения. Интерфазная гибель лимфоцитов не связана с моментом

клеточного митоза, она начинается через 6 часов и завершается через 3

суток после радиационного воздействия. Разрушение лимфоцитов после

облучения происходит как в лимфоидных органах (тимус, лимфатиче-

ские узлы, селезенка, лимфоидные образования в кишечнике), так и в

периферической крови и лимфе. В результате можно обнаружить сни-

жение числа лимфоцитов в крови уже через десятки минут после облу-

чения, а к 3-м суткам число лимфоцитов снижается до минимальных ве-

личин. Глубина снижения уровня лимфоцитов, так же как и других

клеток периферической крови, прямо зависит от дозы облучения. Сле-

дует подчеркнуть, что послерадиационное падение числа лимфоцитов,

наряду с гранулоцитопенией, является основной причиной развития

синдрома инфекционных осложнений в периоде разгара острой лучевой

болезни.

3.5. Действие ионизирующих излучений на критические системы организма

137

Таблица 37 – Радиочувствительность некоторых клеток иммунной системы человека

(по данным А.А. Ярилина, 1989, 1997; Т. Szepesi, Т.М. Fliedner, 1989)

Вид клеток Д

, Гр

Полипотентные стволовые кроветворные клетки 0,9-1,0

Клетки-предшественники гранулоцитов 1,15-1,20

Нейтрофилы крови более 15,0

Клетки-предшественники моноцитов 1,12-1,17

Моноциты крови 10,0-15,0

ЕК-клетки (естественные киллеры) более 10,0

Клетки-предшественники лимфоцитов: ранние стадии 0,5-0,8

поздние стадии 1,3-1,9

Лимфоциты крови: Т-лимфоциты 1,3-2,5

В-лимфоциты 1,2-1,8

Клетки-предшественники тимоцитов – камбиальные клетки тимуса 2,5-3,7

Эпителиальные клетки тимуса 8,0-10,0

Дендритные клетки тимуса 2,0-4,0

Воздействие радиации на лимфоидную ткань приводит не только к

гибели лимфоцитов, но и вызывает значительные изменения их функ-

циональной активности. Это, в свою очередь, может приводить к извра-

щению иммунного ответа как в ближайшие сроки, так и (что особенно

важно) в отдаленном периоде после лучевого воздействия.

Так, уже в ближайшие минуты-часы после облучения как для В-лим-

фоцитов, так и особенно для Т-лимфоцитов, характерна утрата имею-

щихся на их поверхности клеточных рецепторов для различных антиге-

нов, что связано с вмешательством ионизирующих излучений в процесс

реаранжировки генов TCR (антигенраспознающего рецептора Т-лим-

фоцитов). Пострадиационное изменение экспрессии молекул адгезии

приводит к нарушению распределения лимфоцитов в крови и лимфоид-

ных органах и фактически искажает пространственную организацию

иммунной системы.

Уже в ранние сроки после облучения значительно снижается спо-

собность В-лимфоцитов к выработке специфических иммуноглобули-

нов в ответ на антигенную стимуляцию. Это угнетение прямо коррели-

рует с динамикой депопуляции лимфоидных органов, а наиболее выра-

жено в случае введения антигена через 1-2 сут. после облучения. При

введении антигена незадолго до облучения выработка антител может

даже увеличиваться. В случае предварительной иммунизации перед воз-

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

138

действием радиации «вторичный ответ» на повторное введение ан-

тигена после облучения существенно не нарушается.

Еще одним ближайшим результатом радиационного воздействия яв-

ляется снижение пролиферативной активности Т-лимфоцитов, их ми-

грационных свойств, способности инактивировать несингенные КОЕ.

Гибель в результате облучения Т-лимфоцитов сопровождается сниже-

нием в организме их цитотоксических функций, что проявляется по-

давлением некоторых реакций гиперчувствительности замедленного

типа, реакций типа «трансплантат против хозяина» и др. Выраженность

угнетения этих реакций зависит в значительной мере и от уровня функ-

циональной активности Т-лимфоцитов, которая оказывается по-

давленной уже после облучения в дозах 0,15-0,20 Гр.

Воздействие ионизирующих излучений приводит к нарушению ба-

ланса Т-хелперов классов Th1 и Th2, которые определяют соотношение

клеточной опосредованной и гуморальной составляющей иммунного от-

вета, а также ряда проявлений иммунопатологии. Напомним, что про-

дукты Th2 – интерлейкин-2, γ-интерферон, β-туморнекротический фак-

тор – обеспечивают развитие клеточного иммунитета, а продукты Th2 –

интерлейкин-4, -5, -10 – служат медиаторами гуморального ответа. Эти

клетки находятся в соотношениях антагонизма, реализуемого с участи-

ем γ-интерферона и интерлейкина-10.

Дифференцировка Thl поддерживается макрофагами через выработ-

ку интерлейкина-12, а развитие Th2 регулируется интерлейкином-4.

В свою очередь продукт Thl γ-интерферон стимулирует активность

макрофагов.

Воздействие ионизирующих излучений существенным образом ме-

няет функциональную структуру иммунной системы, сдвигая баланс

Th1/Th2 сначала в сторону Th1, а в более отдаленные сроки – в сторону

Th2. Следствием этого является наблюдаемое в ранние сроки после об-

лучения преимущественное подавление антибактериальной защиты

и других форм гуморального иммунитета, что наряду с другими факто-

рами (лимфо- и гранулоцитопения, нарушение функциональной актив-

ности макрофагов и др.) является причиной развития синдрома инфек-

ционных осложнений в период разгара острой лучевой болезни.

В отдаленном периоде угнетение Th1 – зависимого звена иммунной

системы проявляется ослаблением противоопухолевого иммунитета,

противовирусной резистентности, снижением защиты организма от воз-

будителей туберкулеза, лепры, ряда паразитарных заболеваний, повы-

шением склонности к аллергическим процессам и др.

3.5. Действие ионизирующих излучений на критические системы организма

139

Установлено, что чем выше зависимость иммунного ответа от тиму-

са, тем сильнее проявляется эффект радиации. Действие ионизирующих

излучений на тимусзависимое звено иммунной системы складывается

из непосредственного влияния на Т-клетки и опосредованного действия

через строму тимуса. Активность стромы тимуса в ранние сроки после

облучения может повышаться, а в более поздние, как правило, подавля-

ется, что сопровождается ускоренной передачей полномочий тимуса пе-

риферическому отделу иммунной системы и развитием проявлений им-

мунологического старения.

В раннем пострадиационном периоде повышается и вероятность

развития аутоиммунных реакций, выраженность которых нарастает с

увеличением дозы облучения. Однако аутоиммунные процессы прояв-

ляются и в поздние сроки после лучевого воздействия, а также при дей-

ствии малых доз радиации. Ряд исследователей полагают, что для ма-

лых доз и интенсивностей ионизирующих излучений развитие ауто-

иммунных процессов даже более характерно, чем для последствий об-

лучения в высоких дозах.

При действии высоких доз ионизирующих излучений, убивающих

большую часть лимфоцитов, нарушается формирование антигенраспоз-

нающего механизма. Клетки, обусловливающие селекцию тимоцитов,

сильно различаются по своей радиочувствительности: эпителиальные

клетки устойчивы к действию радиации в дозах до 8-10 Гр, а денд-

ритные клетки погибают уже при дозах 2-4 Гр. В связи с этим процесс

положительной селекции является относительно радиоустойчивым, а

облучение в малых дозах даже может повышать его эффективность. На-

против, процесс отрицательной селекции нарушается уже при действии

относительно малых доз радиации, вследствие чего часть ауторе-

активных клонов может сохраниться, и в последующем стать источни-

ком аутоагрессии. В поздние сроки после облучения могут страдать не

только дендритные, но и эпителиальные клетки тимуса. Это связано с

гибелью их относительно радиочувствительных предшественников –

делящихся камбиальных клеток (D

для них составляет 2,5-3,7 Гр). В ре-

зультате этого снижается число прошедших дифференцировку

Т-лимфоцитов, уменьшается общая численность тимоцитов (подобный

процесс наблюдается при старении) и, как следствие, возрастает веро-

ятность развития аутоиммунных и опухолевых процессов.

Еще одним фактором, приводящим к прогрессированию аутоим-

мунных процессов в облученном организме, является ранняя постра-

диационная гибель специальной популяции супрессорных клеток, сдер-

живающих образование В1-клетками естественных аутоантител к

Р а з д е л 3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

140

эндогенным субстанциям. Устранение этих клеток облучением, а они

погибают уже при дозах 4-6 Гр, приводит к усилению выработки есте-

ственных аутоантител и, как следствие, развитию органоспецифических

аутоиммунных процессов.

Важным аспектом действия ионизирующих излучений на иммунитет

является также их влияние на систему цитокинов – продуктов ак-

тивированных клеток иммунной системы, играющих ключевую роль в

регуляции гемопоэза и межклеточного взаимодействия в ходе развития

воспаления и иммунного ответа. Действие радиации на эту систему

сильно зависит от природы клеток-продуцентов цитокинов. Так, обра-

зование лимфокинов in vivo подавляется в связи с массовой гибелью

вырабатывающих их лимфоцитов, хотя сам по себе процесс продукции

цитокина может стимулироваться радиацией (как это имеет место в

случае с интерлейкином-2). В то же время воздействие ионизирующих

излучений приводит к увеличению выработки интерлейкина-1, -6 и фак-

тора некроза опухолей, макрофагами, стромальными и эпителиальными

клетками тимуса. Стимуляция выработки этих цитокинов облучением

особенно интересна, потому что интерлейкин-1 и фактор некроза опу-

холей, сами по себе обладают радиопротекторным действием, реали-

зуемым при участии интерлейкина-6, а в сочетании с интерлейкином-1

радиозащитная активность проявляется также у гранулоцитарного и

гранулоцитарно-макрофагального факторов. Эти факты, вероятно, сви-

детельствуют о том, что некоторые эффекты радиации направлены на

ослабление или ликвидацию вызванных ею же последствий.

Таким образом, ионизирующие излучения существенным образом

влияют на иммунную систему, вызывая широкий спектр ее реакций – от

изменения регуляции иммунного ответа до гибели иммунокомпетент-

ных клеток. Так, изменение экспрессии молекул адгезии, приводя к на-

рушениям распределения лимфоцитов, искажает пространственную ор-

ганизацию иммунной системы. Ее временная организация нарушается

вследствие вмешательства радиации в процесс реаранжировки генов

TCR, повреждения эпителия тимуса и связанного с этим «перевода

иммунологических часов» в сторону старения.

3.5.5. Действие ионизирующей радиации

на желудочно-кишечный тракт

В желудочно-кишечном тракте наиболее радиочувствительной

является тонкая кишка, D

для стволовых клеток эпителия тонкой киш-

ки составляет около 1 Гр, тогда как в толстой кишке этот показатель до-