Патогенное действие ионизирующего излучения

Патогенное действие факторов внешней среды

В числе неблагоприятных факторов среды обитания, воздействующих на человека, особо следует выделить радиоагрессию, причем, если действие на организм высоких доз облучения, вызывающих лучевую болезнь, изучено с достаточной полнотой, то представления о влиянии естественного фона радиации или доз, лишь незначительно превышающих таковой, менее четки. Следует учитывать и то, что, хотя излучение неощутимо и вызванные им биологические нарушения могут не проявляться в течение многих лет, синергическое взаимодействие доз излучения, ненамного превышающих фоновое, с другими неблагоприятными факторами (химическими, биологическими, например ретровирусы) может явиться генотоксическим.

Население индустриальных городов постоянно испытывает влияние как естественных источников ионизирующего излучения, так и техногенного фона. Ионизирующее излучение (т.е. излучение, вызывающее ионизацию атомов) делится по своим физическим свойствам на два вида: квантовое (фотоновое) и корпускулярное. К первому относятся γ-излучение и рентгеновские лучи, ко второму — нейтроны, протоны, пучки быстрых электронов, a- и b-частицы, π-мезоны и др. (рис. 5.1).

Разные виды излучений различаются характером распределения энергии в веществе. В зависимости от типа излучения и величины энергии механизм взаимодействия различен. Так, a-частицы имеют небольшую глубину проникновения, но значительную плотность ионизации; π-мезоны обладают сильнейшей ионизацией вещества, быстрые нейтроны вызывают наведенную радиоактивность с образованием в тканях организма радионуклидов; рентгеновское и g-излучение приводит к ионизации вещества через образование вторичных электронов.

Воздействие радиации на организм человека реализуется двумя путями: внешним облучением и внутренним облучением. К внешним источникам облучения относятся:

1) космические лучи, падающие на Землю (средняя доза для жителей Земли — 0,5 мЗв в год (поглощенная доза рентгеновского излучения 1 Гр (100 рад) равна его эквивалентной дозе — 1 Зв);

2) радиоактивные элементы, содержащиеся в земле (излучение от фосфорных удобрений, выбросы атомных и тепловых электростанций);

3) излучения рентгено-диагностической аппаратуры, использование радиофармацевтических препаратов;

4) излучение строительных материалов, из которых сооружены современные жилые дома; источником большой дозы естественной фоновой радиоактивности в жилых помещениях (согласно выводам службы Всемирной организации здравоохранения) является распад радона (Ra-226) и накопление продуктов его распада, повреждающих эпителий легочной ткани.

Внутреннее облучение связано с тремя возможными путями поступления радиоактивных веществ в организм: а) ингаляционным, б) пероральным (с пищей и водой), в) через кожу (путем абсорбции при ее повреждении).

Загрязнение воздушным путем происходит в результате оседания радионуклидов из воздуха на наземные части растений, фиксации их на поверхности и частичного проникновения внутрь растительной ткани. Существуют три механизма поверхностного загрязнения: листовое, флоральное (захват соцветиями) и поступление радионуклидов в корни. В условиях непрерывных выпадений радиоактивных осадков (работа тепловых, атомных станций, использование ядерных устройств, выбрасывающих торий, уран, свинец, полоний и т.д.) загрязнение происходит преимущественно через поступление радионуклидов в корни растений и захват их соцветиями.

Для внутреннего облучения характерно отдаленное действие, обусловленное постепенным накоплением в организме радиоактивных элементов, поступающих с пищей, водой, через кожу и т.д. Определенная органотропность накапливающихся радионуклидов может привести к высоким локальным дозам радиации. Действие инкорпорированных изотопов определяется несколькими моментами:

а) неравномерным распределением их в тканях;

б) длительностью полураспада;

в) химической активностью.

Так, почки хорошо усваивают радиоактивный Са (биологические эффекты связаны с a- и b-излучающими радионуклидами); радиоактивный йод (испускающий b- и g-излучения) сорбируется щитовидной железой. Ионы К и Na встречаются во всех клетках организма, следовательно, их радиоактивные формы будут распространены по всему организму. Так, естественный радиоактивный калий, поступающий в организм через желудочно-кишечный тракт, создает достаточно мощную дозу в тканях половых желез — до 0,02 Гр в год.

Внутреннее облучение может быть весьма длительным за счет долго живущих и медленно выводящихся из организма элементов, таких как стронций (Sr) — 90, цезий (Cs) — 137, кальций (Са) — 14, уран (U) — 238, плутоний (Pl) — 239 и т.д., и явиться основной причиной генетических повреждений.

Действие малых доз ионизирующего излучения приводит к так называемым отдаленным последствиям радиационных повреждений: канцерогенезу, лейкозу, катаракте, сокращению продолжительности жизни, преждевременному старению и т.д. Биологические эффекты радиационного воздействия определяются видом излучения, относительной биологической эффективностью данного вида излучения (ОБЭ), величиной поглощенной дозы, мощностью излучения. Из всех разновидностей радиационных излучений наибольшим биологическим действием обладают α‑излучение, протоны, быстрые нейтроны.

Биологическая активность ионизирующего излучения возрастает по мере увеличения мощности дозы. Повреждающее действие радиации более выражено при кратковременном воздействии, чем при длительном облучении в одной и той же дозе. Облучение может быть однократным, дробным или длительным. При дробном и длительном облучении повреждение тканей обусловлено более высокими суммарными дозами. Тяжесть радиационных поражений зависит от площади облучаемой поверхности тела, реактивности организма, возраста, пола, функционального состояния индивидуума на период радиационных воздействий.

Механизм действия ионизирующего излучения. Различают прямое и непрямое действия радиации. Прямое действие излучения связано с тем, что его энергия превышает энергию внутримолекулярных и внутриатомных связей и, проникая в молекулу, вызывает ионизацию, возбуждение и разрыв связей. Непрямое дей­ствие радиации обу­словлено химичес­ки­ми веществами, образу­ющи­мися при первичной ионизации молекул рас­творителя. Основным растворителем в биологи­ческих средах является вода, состав­ляющая 80 % массы тела. При действии ионизиру­ющего излуче­ния проис­ходит радиолиз воды, в результате чего образу­ются свободные радика­лы ОН· и Н·, которые вступают во взаимо­действие, с воз­бужденной молекулой воды, кисло­родом тканей, дополни­тельно образуя перекись водорода Н₂О₂, радикал гидропероксида НО₂·, синглетный кислород ¹О₂ и т.д. (рис. 5.2).

Продукты радиолиза воды обладают очень высокой биохимической активностью и способны вызывать реакции окисления по любым связям. Большое значение имеют реакции свободных радикалов с белковыми макромолекулами, в частности с ферментами. Наибольшая радиочувствительность отмечена у тиоловых ферментов, содержащих сульфгидрильные группы.

Окислению подвергаются ненасыщенные жирные кислоты и фенолы, в результате чего образуются липидные и хиноновые радиотоксины (ЛРТ и ХРТ).

Действие радиации на клетку. Радио- и биохимические реакции приводят к нарушению жизнедеятельности клетки. Радиотоксины угнетают синтез нуклеиновых кислот, действуют на молекулу ДНК, изменяют активность ферментов, реагируют с липидно-белковыми внутриклеточными мембранами.

При прямом попадании ионизирующих частиц в макромолекулу поглощенная энергия может мигрировать по молекуле, реализуясь в наиболее уязвимых местах, где и происходит разрыв внутримолекулярных связей. Если мишенью явилась молекула ДНК, возникают генные и хромосомные мутации.

Прямому повреждению подвержены макромолекулы сложных белков, нуклеопротеидные комплексы, липопротеиды. Таким образом, радиохимические реакции вызывают прямое и опосредованное (через продукты радиолиза воды и радиотоксины) повреждение важнейших биохимических компонентов клетки — нуклеиновых кислот, белков, ферментов, изменяют течение ферментативных реакций.

Эти и более тонкие нарушения генетического аппарата приводят к нарушению наследственных свойств клетки, угнетению синтеза ДНК, специфических белков, нарушению обменных процессов.

Деление клетки тормозится или протекает ненормально. Повреждаются все органоиды клетки. Ионизирующее излучение повреждает внутриклеточные мембраны, ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, лизосомы клеток. Из поврежденных лизосом освобождаются РНКазы, ДНКазы, катепсины, разрушающие нуклеиновые кислоты, протоплазматические и ядерные белки. В мембранах митохондрий нарушается окислительно-восстановительное фосфорилирование, что приводит к изменению энергетики клетки. Нарушение энергетического обмена — одна из главных причин остановки синтеза нуклеиновых кислот, ядерных белков, торможения митоза.

Различные типы тканей обладают различной радиочувствительностью. Самой высокой чувствительностью обладают те ткани, в которых процессы деления клеток выражены наиболее интенсивно. К ним относятся, в первую очередь, кроветворная и лимфоидная ткани, где идет постоянное обновление клеток. Высокой митотической активностью отличаются железистый эпителий пищеварительных и половых желез, покровный эпителий кожи, далее эндотелий сосудов. На последнем месте в этом ряду — хрящевая, костная, мышечная и нервная ткани.

Неодинаковая радиочувствительность тканей объясняется несколькими моментами:

а) различной интенсивностью митотического деления,

б) интенсивностью обменных процессов,

в) степенью дифференцировки,

г) биохимическим составом.

Действие ионизирующего излучения на организм. Действие ионизирующей радиации в целостном организме реализуется в форме определенных клинических симптомокомплексов (лучевые поражения). Они могут быть местными (лучевые ожоги, некрозы, катаракты) и общими (лучевая реакция, острая и хроническая лучевая болезнь).

Основные симптомокомплексы при действии ионизирующего излучения определяются поглощенной дозой радиации. Через сутки после действия сверхпороговой дозы в системе кроветворения и лимфоидной ткани отмечается дефицит лимфоцитов, гранулоцитов, что снижает иммунобиологическую защиту организма. Снижение активности фагоцитоза, угнетение образования антител способствуют развитию инфекции уже на ранних этапах течения лучевой болезни. Особенно активно развивается инфекция в полости рта, в кишечнике. Иногда причиной гибели больного является пневмония. При действии ионизирующего излучения происходит повышение проницаемости барьеров, например слизистой оболочки кишечника, что способствует всасыванию в кровь бактерий и токсических продуктов. Нарушение функции пищеварительного тракта, кишечная аутоинфекция приводят к истощению организма.

Другим важным признаком лучевого поражения является геморрагический синдром, который может проявиться в виде наружных точечных кровоизлияний или внутренних кровотечений. В патогенезе этих изменений имеет значение тромбоцитопения. В связи с нарушением периода созревания тромбоцитов в костном мозге изменяются их физиологические свойства (падает способность к агрегации и последующему выделению из них факторов свертывания крови). В патогенезе геморрагического синдрома имеет значение также изменение сосудистой стенки. При действии радиации нарушается способность клеток вырабатывать полисахаридно-белковые комплексы для построения базальной мембраны, соединительнотканные волокна разрушаются, основное вещество деполимеризуется. Из поврежденных тканей освобождаются биологически активные вещества, которые вызывают нарушение тонуса и резистентность сосудов, что приводит к функциональной неполноценности последних и, в частности, к нарушению микроциркуляции.

Патогенез нарушений со стороны нервной системы несколько иной, что объясняется высокой радиоустойчивостью нервных клеток. Грубые структурные нарушения и гибель нервных клеток отмечаются при достаточно высоких дозах ионизирующего излучения. Через несколько секунд после действия больших доз радиации происходит раздражение нервных рецепторов продуктами радиолиза и распада тканей, в результате чего импульсы, поступая в нервные центры, могут нарушать их функциональное состояние.

Со стороны эндокринной системы первоначальные признаки активации гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы могут сменяться истощением функции данных желез.

Острая лучевая болезнь. В зависимости от дозы ионизирующего излучения возникают нарушения от едва уловимых реакций со стороны различных систем организма до острых форм лучевой болезни. Острая лучевая реакция развивается при небольших дозах облучения (0,5–1 Гр). Это самая лёгкая степень лучевого воздействия на организм, она проявляется преходящими изменениями лишь в наиболее радиопоражаемых тканях (главным образом, кроветворной, а также сперматогенной). Жалоб, как правило, у таких людей нет, состояние остается удовлетворительным, отсутствуют внешние клинические проявления. При исследовании крови находят снижение количества лимфоцитов, гранулоцитов, тромбоцитов. При облучении яичек в дозе 0,5 Гр отмечается кратковременная стерильность. Через три-четыре недели всё возвращается к норме. При облучении в дозе 1–10 Гр развивается типичная форма острой лучевой болезни, с преимущественным поражением костного мозга (костномозговая форма). Доза от 10–20 Гр вызывает развитие кишечной формы острой лучевой болезни, доза от 20–80 Гр приводит к развитию токсемической (сосудистой) формы заболевания, доза выше 80 Гр вызывает развитие церебральной формы лучевой болезни.

По тяжести поражения, которая определяется поглощенной дозой радиации в течение типичной формы острой лучевой болезни (костномозговая форма) выделяют четыре степени:

I — легкая степень поражения (1–2 Гр);

II — средняя степень поражения (2–4 Гр);

III — тяжелая степень поражения (4–6 Гр);

VI — крайне тяжелая степень поражения (более 6 Гр). (Табл. 1.)

Клинические формы и степень тяжести лучевой болезни в зависимости от величины поглощенной дозы (по А.К. Гуськовой)

Острая лучевая болезнь в ее типичной форме (костномозговая форма) протекает в четыре стадии (периода):

а) первичную реакцию на облучение,

б) мнимое клиническое благополучие (скрытая),

в) разгар болезни,

г) восстановление.

Продолжительность периода первичной реакции составляет от нескольких часов до 1–2 суток. В течение этого периода отмечаются некоторое повышение возбудимости нервной системы и связанная с ней лабильность вегетативной нервной системы: колебание артериального давления, изменение ритма и темпа сердечных сокращений и т.д. Характерны тошнота, рвота, потеря аппетита. Со стороны крови наблюдается кратковременный нейтрофильный лейкоцитоз со сдвигом влево, который носит временный характер, в первые часы отмечается абсолютная лимфопения.

Фаза мнимого благополучия характеризуется затуханием видимых клинических признаков болезни, самочувствие больных становится удовлетворительным. Продолжительность скрытой фазы зависит от дозы облучения и колеблется от 10–15 дней до 4–5 недель. Тем не менее в это время нарастает поражение системы крови: угнетение костного мозга, в периферической крови нарастает лимфопения на фоне лейкопении, уменьшается количество ретикулоцитов, тромбоцитов. В этот период могут отмечаться атрофия гонад, подавление сперматогенеза.

Стадия разгара болезни характеризуется прежде всего выраженным поражением системы крови. Отмечаются глубокая лейкопения, тромбоцитопения, анемия. В костном мозге — панмиелопарез (опустошение). Самочувствие больных в этот момент резко ухудшается, отмечается повышение температуры, нарастает слабость, отмечается кровоточивость, кровоизлияния в кожу, ЖКТ, мозг, сердце, легкие, инфекционно-септические осложнения. Нарушается обмен веществ, развиваются диспептические, трофические расстройства, часто — орофарингеальный синдром — воспалительные, геморрагические и некротические проявления в полости рта и глотки. Типичным осложнением является пневмония, которая протекает очень тяжело и может стать причиной смерти больного. Продолжительность этой стадии от нескольких дней до двух-трех недель.

Период восстановления сопровождается улучшением самочувствия, постепенной нормализацией нарушенных функций, снижением и полным исчезновением геморрагических и диспептических проявлений, нормализацией картины крови, появлением в крови молодых клеток. Однако длительное время сохраняются явления астении, утомляемости, общей слабости, неустойчивости гемопоэза, нарушение половой функции, нарушение иммунитета, трофические расстройства. Период восстановления охватывает 3–6 месяцев, в тяжелых случаях затягивается на 1–3 года.

Кишечная форма лучевой болезни у человека развивается при облучении в дозах 10–20 Гр, и смерть наступает на 7–10-е сутки. Ведущими признаками данной формы радиационных поражений являются тошнота, рвота, кровавый понос, высокая температура, геморрагии, в ряде случаев развивается полная паралитическая непроходимость кишечника. Со стороны крови — лейкопения, с полным отсутствием лимфоцитов в периферической крови, отмечается развитие сепсиса. В организме развиваются дегидратация тканей, глубокое нарушение кислотно-основного равновесия; в результате действия токсических продуктов (микробного и тканевого происхождения) развивается необратимый шок, приводящий к гибели больного.

Токсемическая форма лучевой болезни сопровождается выраженными изменениями со стороны гемодинамики, в первую очередь, в кишечнике, печени, характеризуется дилатацией сосудов, кровоизлияниями, тяжелой интоксикацией с поражением оболочек мозга и развитием менингеальных симптомов. Нарушение гемодинамики приводит к ишемии почек, развитию олигурии, гиперазотемии. Смерть может наступить на 4–7-е сутки.

Церебральная форма лучевой болезни развивается при облучении в дозе, превышающей 80 Гр. Больной погибает на 1–3-и сутки после облучения, а при дозах 150–200 Гр смерть может наступить в процессе облучения. Под действием ионизирующего облучения возникающие в процессах цепного радикального окисления ненасыщенных жирных кислот конечные и промежуточные продукты — липоперекиси, альдегиды и др. — обладают поражающим (токсическим) действием на клетки ЦНС. При этом отмечается нарушение высшей нервной деятельности, дыхания, развивается судорожно-паралитический синдром, нарушаются лимфо- и кровообращение в центральной нервной системе. Отмечается нарушение сосудистого тонуса, падение артериального давления, нарушение процессов терморегуляции, выявляются тяжелые нарушения со стороны ЖКТ, мочевыделительной системы. Причиной смерти при данной форме лучевых поражений являются тяжелые, необратимые изменения ЦНС, характеризующиеся глубокими структурными нарушениями, гибелью клеток коры головного мозга, нейронов ядер гипоталамуса.

Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ) — общее хроническое заболевание, развивающееся вследствие длительного, часто или многократно повторяющегося действия ионизирующего излучения в малых дозах, не превышающих предельно допустимые.

Для условий профессионального облучения установлена доза не более 0,05 Гр (5 бэр) за год. Однако при хроническом облучении часто нельзя установить точного соотношения (пропорциональности) между суммарной дозой облучения и тяжестью течения заболевания. При этом имеют значение, кроме величины дозы, и темпы ее накопления и индивидуальная чувствительность организма. Так, при дозе 1–1,5 Гр (в отличие от острого воздействия) клинических проявлений может даже и не быть, в то время как при дозах 4–5 Гр формируются уже тяжелые формы.

Заболевание обычно развивается через 2–5 лет от начала лучевого воздействия при заметном превышении предельно допустимых доз. Медленно, торпидно развертывается и прогрессирует симптоматика: изменения со стороны центральной и вегетативной нервной системы (астенизация, нарушение сна, акроцианоз, гипергидроз) и связанные с этим сердечно-сосудистые нарушения (гипотония, брадикардия), угнетение кроветворения (особенно лейкопоэза), кровоточивость, трофические нарушения кожи (сухость, снижение эластичности, усиленное ороговение) и ногтей (сухость, ломкость), выпадение волос, снижение иммунитета, вследствие чего отмечаются, с одной стороны, подверженность различным инфекционным заболеваниям, а с другой — определенным особенностям в течении этих заболеваний (вялость общей реакции, угнетение репаративных процессов, склонность к осложнениям).

По гематологическим показателям различают три степени тяжести ХЛБ.

Первая степень — в основном это астено-вегетативные проявления со стороны крови: количество эритроцитов и гемоглобина, как правило, в норме; тромбоциты на нижней границе нормы составляют — 150–180 × 10⁹ /л; лабильность числа лейкоцитов с умеренной лейкопенией — до 3 × 10⁹ /л за счет уменьшения числа нейтрофилов с возможным их качественным изменением (гиперсегментация ядер, хроматолиз, токсическая зернистость и пр.); в костном мозге — торможение созревания миелоидных клеток, плазмоцитарная реакция.

Вторая степень, наряду с более выраженной клинической симптоматикой, характеризуется угнетением всех видов кроветворения: снижением гемоглобина и эритроцитов (до 3,5–2 × 10⁹ /л), пойкилоцитозом, анизоцитозом, выраженным макро- или мегалоцитозом, уменьшением содержания тромбоцитов (100 × 10⁹ /л и ниже); выраженной лейкопенией (1,5–2,5 × 10⁹ /л) за счет снижения гранулоцитов, относительным лимфоцитозом (40–50 %).

Третья (тяжелая) степень — ещё более выраженное угнетение кроветворения с геморрагическим синдромом, поражение внутренних органов (очаговые изменения в ЦНС, кровоизлияния во внутренние органы, дистрофические изменения, инфекционные осложнения); тяжелая анемия (эритроциты ниже 1,5–2 × 10⁹ /л), резкая лейкопения (лейкоциты менее 1 × 10⁹ /л), агранулоцитоз, тромбоцитопения (20–50 × 10⁹ /л); может отмечаться опустошение костного мозга. Заболевание прогностически неблагоприятно.

Если диагностика ХЛБ выраженных степеней (I, II, III) не так уж сложна, то распознавание лёгких форм и начальной стадии (а именно эта задача может быть сейчас наиболее практически важной) представляет определённые трудности ввиду нерезко выраженной неспецифической симптоматики. Прежде всего, следует провести тщательную и доказательную дифференциальную диагностику с синдромно сходными заболеваниями (астено-вегетативным синдромом различного генеза, интоксикацией и т.п.). При этом наибольшее значение имеют профессиональный анамнез, оценка условий работы обследуемого, характер лучевого воздействия, данные дозиметрии, данные специальных радиометрических исследований сред организма при подозрении на возможность инкорпорации радиоактивных веществ и внутреннего облучения.