Военная токсикология, радиобиология и медицинская защита. Учебное пособие.

В крови возрастает количество токсических веществ, что формирует лучевой токсический эффект.

Радиопоражаемость тканей описана французскими учеными Бергонье и Трибондо в 1906г. . Закон гласит – радиопоражаемость тканей определяется степенью дифференцировки клеток и их митотической активностью. При этом чем менее дифференцирована клетка (стволовая) и чем выше ее митотическая активность, тем выше ее радиопоражаемость. И наоборот – чем более дифференцирована клетка и меньше ее митотическая активность, тем более клетка радиорезистентна (лимфоидная ткань ? нервная ткань).

Важную роль в поражающем действии ИИ играет кислород, вернее так называемый «кислородный эффект». Под его влиянием повышается поражение макромалекул и биологических систем при их облучении. Это происходит вследствие взаимодействия кислорода с радикалами биомолекул с последующим образованием новых перекисных радикалов, которые вызывают поражение тканей относящиеся к числу необратимых структурных изменений.

Итак, подводя итог современных взглядов на механизм биологического действия ИИ мы можем как бы поэтапно просмотреть как в облученной клетке развиваются структурно-метаболические процессы. Первоначально происходит дискретное поглощение биосубстратом энергии ИИ и возникновение в клетке возбужденных, ионизированных молекул и свободных радикалов, обладающих высокой окисляющей способностью. Второй этап характеризуется развитием радиационно-химических реакций, в которых участвуют не только первичные свободные радикалы, но и вновь образующиеся, и более стойкие биологически активные продукты окисления. На третьем этапе ведущая роль принадлежит биохимическим процессам: ингибированию биосинтеза ДНК, активации реакций ферментативного окисления и патологического разрушения биосубстрата, образованию вторичных радиотоксинов перекисной, хиноидной и другой природы. На четвертом этапе включаются с одной стороны реакции усиливающие повреждение генома, а с другой – механизмы, обеспечивающие репарацию его дефектов. Соотношения этих процессов в конечном итоге и определяет характер структурных изменений в клетке и судьбу ее в целом. Если процессы репарации не обеспеыивают восстановление дефектов, развивается радиационное поражение (образование аббераций, некроз и лизис ядер, интерфазная и репродуктивная гибель клеток).

Клеточные механизмы развития радиационных синдромов.

Различают два основных механизма гибели клеток – интерфазная и репродуктивная гибель.

Интерфазная гибель развивается в результате активации и высвобождения из лизосом значительного количества гидролитических ферментов с последующим повреждением органелл и цитолизом клеток.

Репродуктивная гибель происходит в процессе превого или второго послелучевого митоза, либо сразу после них в результате необратимых нарушений структуры хромосом после воздействия ИИ и поражения клеточных структур радиотоксинами.

Действие ИИ на нуклеиновые кислоты, белки, жиры и углеводы.

При воздействии ИИ в высоких дозах структурные нарушения происходят в любых биомолекулах. При облучении в относительно небольших дозах в первую очередь повреждаются высокополимерные соединения: нуклеиновые кислоты, белки, липопротеиды, полимерные соединения углеводов.

Наиболее высокой радиочувствительностью обладают нуклеиновые кислоты. При облучении в ДНК происходят разрывы, чаще в одной спирали, но могут быть и одновременные разрывы обеих полинуклеотидных цепей (двойные разрывы). Последние чаще происходят при облучении ?-частицами, протонами и нейтронами. Аналогичные изменения наблюдаются и в облученном РНК.

Облучение повреждает структуру белков в результате чего нарушается ферментативная и антигенная их активность. Согласно современным представлениям, при воздействии ИИ молекула белка может потерять один или несколько электронов или перейти в возбужденное состояние, при этом она становится неустойчивой и легко диссоциирует с образованием свободных радикалов. Инактивация биологической (в том числе и ферментативной) активности белка при воздействии ИИ может происходить в результате окисления или дезаминирования в активных центрах ферментов, разрывов полипептидных цепей, а также других процессов, изменяющих конформационную и химическую структуру белковой молекулы.

Первичные изменения в жирах при взаимодействии ИИ состоят в образовании свободных радикалов, которые взаимодействуют с кислородом, являются источником возникновения перекисных соединений. Последние в свою очередь могут вступать в реакции с жирами, в результате чего образуются гидроперекиси, которые очень нестойки и в присутствии ионов металлов легко распадаются с образованием реакционно активных радикалов. Эти радикалы могут дать толчок к развитию цепных реакций окисления. Перекисные соединения разрушаются с образованием оксикислот, альдегидов и др. продуктов окисления жиров.

Первичные изменения структуры углеводов наблюдаются при воздействии высоких доз ИИ и сводятся к деполимеризации и окислению полисахаридов. Это приводит к распаду углеводородной цепи и образованию кислот и формальдегида.

Влияние ИИ на обмен веществ и биоэнергетику клетки.

Как мы упоминали большое значение в патогенезе лучевых поражений имеют нарушения в обмене нуклеиновых кислот. Являясь носителем генетической информации в клетке, нуклеиновые кислоты принимают непосредственное участие в процессах биосинтеза белков, размножения клеток и регенерации тканей. К числу наиболее ранних реакций на облучение относится торможение синтеза ДНК в лимфоидной ткани, костном мозге и слизистой тонкого кишечника. Тоже происходит и с РНК, однако она более радиоустойчива. Постлучевые нарушения структуры и функции ДНК в облученной клетке могут привести к повреждению строения хромосом и к гибели клетки. При значительных повреждениях структуры нуклеиновых кислот происходит их деградация и распад. Этот процесс протекает вследствие повышения активности ферментов: нуклеаз, дезоксирибонуклеаз и рибонуклеаз. Большая часть разрывов в ДНК и РНК, особенно одиночных, подвергается репорации. Двойные разрывы не репарируют.

Ранние изменения в белковом обмене связаны с деградацией и распадом белковых субстратов в связи с гибелью радиочувствительных клеток. Это результат активации протеинов и гипофизадреналовой системы. В последующем нарушается синтез белка вследствие невозможности восполнения убыли информационной РНК. В результате прерывается новообразование ферментов и ряда других специфических белков. Все это приводит к нарушению обновления структурных белков и в конечном итоге – к гибели клеток.

Нарушение жирового обмена в организме выражаются в липемии. В дальнейшем содержание липидов повышается и в некоторых тканях (печень, костный мозг). Помимо перераспределения липидов происходит переключение углеводного обмена в сторону липидного (угнетение процессов окисления углеводов в цикле Кребса). Важные последствия повреждений структуры липидов проявляются в нарушении строения клеточных мембран, что приводит к нарушению процессов адсорбции и активного транспорта ряда веществ и др. процессов.

Изменение в углеводном обмене наблюдаются в период разгара, носят вторичный характер, они не столь глубоки, чтобы явится причиной нарушения жизнедеятельности клеток и организма. Они, однако, играют важную роль в патогенезе повышения проницаемости сосудов и развития геморрагического синдрома (деполимеризации гиалуроновой кислоты).

Вследствие угнетения процессов окислительного фосфорилирования в митохондриях и в ядрах происходит снижение биоэнергетической активности клетки. Кроме того, повышается активность АТФ-азы, что способствует еще более значительному снижению содержания АТФ. Считают, что эти изменения являются основным механизмом гибели радиочувствительных клеток.

Действие ИИ на нервную систему и железы внутренней секреции.

Ткань нервной системы наиболее радиорезистентна. Однако уже небольшие дозы вызывают функциональные сдвиги в ЦНС. Синдром поражения ЦНС отмечается только при высоких дозах (80 Гр и выше). Паталогоанатомический субстрат церебрального синдрома: явления васкулита, менингита, хориодального плексита и отека тканей головного мозга. Наиболее характерны структурные изменения клеток зернистого слоя можжечка.

Нарушения функции эндокринных желез в меньшей мере являются результатом непосредственного действия ИИ (большинство из них радиорезистентны), а являются результатом вторичных изменений.

Гипофиз. Изменения носят разнонаправленный характер. Уровень гонадотропинов после облучения повышается, позже снижается. Концентрация тиреотропного гормона при малых дозах облучения ИИ увеличивается, при больших уменьшается. Облучение вызывает усиленную продукцию АКТГ.

Надпочечники. При летальных дозах наблюдается стимуляция коры надпочечников, затем нормализация, позже наблюдается вторая волна повышения. Подъем носит адаптивный характер. Вторая фаза подъема уровня кортикостероидов в крови является гипофиз-адреналовой реакцией на развивающийся желудочно-кишечный синдром. Другая причина повышения уровня кортикостероидов неспособность пораженной печени их инактивировать. Кортикостероиды тормозят митоз клеток, угнетают синтез ДНК, повышают активность ДНК-аз.

Щитовидная железа радиорезистентна. При больших доза кратковременно угнетается функция, затем повышается, в период разгара ОЛБ угнетается.

Половые железы. Очень радиочувствительны. Нарушается сперматогенез. В первые месяцы развивается бесплодие, в дальнейшем сперматогенез восстанавливается. Яичники также высокорадиочувствительны, при больших дозах развиваются необратимые явления, при малых – происходит восстановление.

Поджелудочная железа. Облучение первоначально приводит к кратковременному снижению секреторной активности, которая затем восстанавливается и даже повышается. В инсулярном аппарате изменения не столь выражены.

Механизмы развития важнейших радиационных синдромов.

Панцитопенический синдром – клеточное опустошение костного мозга и периферической крови в результате воздействия ИИ. Синдром развивается вследствие гибели значительной части стволовых, созревающих клеток и радиочувствительных лимфоцитов, а также низкой жизнеспособности вновь образующихся клеток крови (зрелых элементов лейкоцитарного ряда, тромбоцитов и др.).

Развитие панцетопенического синдрома идет в несколько фаз. Первая фаза – фаза дегенеративных изменений преимущественно молодых недефференцированных (стволовых) клеток с последующей гибелью. Гибнет и значительная часть созревающих клеток: одни под лучом, другие – при попытке вступить в митоз. Сохранившие жизнеспособность после облучения стволовые клетки начинают делится спустя некоторый срок, по прошествии у них митотического блока. Нарушение устойчивого равновесия между процессами пролиферации, созревания и поступления клеток крови на периферию вызывает развитие типичной картины гематологических изменений. Следующая фаза – абортивный подъем. Он является результатом размножения костномозговых клеток, получивших при облучении повреждения, но еще способных некоторое время пролиферировать. Потомство быстро погибает и наступает более глубокий спад – истинный (третья фаза). Четвертая фаза – фаза восстановления. Вначале восстанавливается популяция стволовых клеток до определенного уровня. Затем они начинают дифференцировать. Аналогичная кинетика наблюдается в эритроцитарном и тромбоцитарном ростке. Разница состоит только в сроках жизни тромбоцитов и особенно эритроцитов. Опустошение костного мозга приводит к вторичным изменения в организме.

При облучении в дозах более 10 Гр развивается желудочно-кишечный синдром – наиболее значительные изменения происходят в тонком кишечнике – гибель клеток в криптах и слущивание эпителия, покрывающего ворсинки слизистой. Оголение ворсинок вызывает нарушение процессов всасывания, баланса электролитов и потерю значительных количеств жидкости. Вследствие гибели основного количества стволовых клеток в криптах тонкого кишечника страдает защитная функция, в организм проникают микроорганизмы, токсины, продукты распада из просвета кишечника.

Геморрагический синдром в периоде разгара ОЛБ является результатом тромбоцитопении, изменений в гемодинамике и нарушений структуры кровеносных сосудов. Однако основная патогенетическая роль принадлежит тромбоцитопении. Критический уровень тромбоцитов – 40,0 10^9/л.

Инфекционный синдром развивается вследствие понижения активности отдельных факторов иммунитета (нарушение обмена веществ, гибель гранулоцитов, угнетение процессов антителообразования, снижение бактерицидных свойств кожи, сыворотки, снижение фагоцитоза). Бактериемия чаще эндогенного происхождения (источник – кишечник, дыхательные пути).

В заключение вопроса необходимо отметить, что патогенез ОЛБ следует рассматривать не только с точки зрения первичных и вторичных механизмов повреждающего действия ИИ на биосубстрат, но и необходимо учитывать развивающиеся нарушения различных функций на системном и организменном уровне.

2. Клиническая характеристика острой лучевой болезни от внешнего облучения.

Острая лучевая болезнь – общее заболевание, вызываемое облучением всего организма или большей его части ионизирующим излучением значительной мощности. Такое поражение может развиваться только при воздействии излучения с высокой проникающей способностью – гамма-нейтронного или при попадании радиоактивных веществ внутрь организма. Характерными признаками типичной формы лучевой болезни является фазность ее течения и полисиндромность проявлений. Острая лучевая болезнь, вызванная внешним облучением с равномерным и неравномерным распределением поглощенной дозы гамма-излучения или нейтронов в теле, имеет ряд характерных особенностей. Поэтому клиническую картину этих форм целесообразно рассматривать раздельно.

Классификация острой лучевой болезни.

Различают классификацию ОЛБ по этиологическому фактору и по поглощенной дозе ИИ.

По этиологическому фактору выделяют следующие формы ОЛБ зависящие от:

• локализации источника облучения (внешнее, внутреннее, смешанное);

• распределения дозы облучения во времени (кратковременное, фракционированное, пролонгированное);

• геометрии облучения (равномерное, неравномерное, местное или локальное)

• вида излучения (гамма-, рентгеновское-, нейтронное-, бетта-, альфа-облучение).

В нашей лекции мы в основном рассмотрим ОЛБ от внешнего, кратковременного, равномерного гамма-облучения. И лишь частично коснемся особенностей течения других форм воздействия ИИ на организм человека.

В зависимости от поглощенной дозы выделяют следующие клинические формы ОЛБ:

• костно-мозговая (поглощенная доза составляет 100-600 рад или 1-6 Гр);

• переходная форма (600-1000 рад или 6-10 Гр);

• кишечная форма (1000-2000 рад или 10-20 Гр);

• токсемическая форма 2000-8000 рад или 20-80 Гр);