Эффективность восстановления (ЭВ) от сублетальных повреждений оценивают фактором восстановления, который характеризует отношение выживаемости клеток при фракционированном облучении к выживаемости при однократном облучении или по разности доз двукратного и однократного облучения, требуемых для достижения одинакового эффекта. Фактор восстановления определяется интенсивностью восстановления и скоростью перехода клеток в более чувствительные фазы цикла, причем эти процессы противоположно влияют на радиочувствительность клеток в момент второго облучения. Повторное облучение может послужить толчком для проявления нерепарированных и «незаконно» репарированных повреждений, помимо того, что оно вызовет новые повреждения. Однако хотя деление повреждений на сублетальные и потенциально летальные достаточно условно, этими понятиями часто пользуются для предсказания степени тяжести поражения различных тканей при повторных облучениях. Замедление процессов репарации или образования нерепарируемых повреждений может быть обнаружено при исследовании параметров кривой выживаемости. Как правило, в тканях взрослого организма значительная часть клеток находится в фазе покоя , сохраняя способность к размножению. Если часть клеточной популяции погибла, то покоящиеся клетки могут активизироваться и размножаться, заменяя погибшие клетки. Оценить основные радиобиологические параметры покоящихся клеток in vivo довольно трудно.
Степень поражения клеточной популяции зависит от интенсивности процессов восстановления в клетке и от их результата. В случае, когда перед новым облучением клетки успели восстановиться, повреждения, возникшие при повторном облучении, будут менее ощутимы. Кроме того, степень поражения зависит от дозы и времени ее действия. При определенной мощности дозы облучения, которая зависит от многих параметров, в том числе и от вида клетки, может наступить такой момент, когда скорость образования повреждений превысит скорость репарации.
Динамика таких конкурирующих процессов пока не изучена. Нет ни теоретических моделей, ни экспериментальных исследований. Очевидно, что подобная модель обязательно должна включать такой параметр, как время клеточного цикла, фактор накоплений повреждений и т.д. Случай однократного облучения должен получаться из этой модели при такой форме функции мощности дозы, когда она резко возрастает до некоторого значения, а потом резко падает до уровня естественного фона. Случаю многократного фракционированного облучения соответствует функция мощности дозы, имеющая множество таких «импульсов».
В общем же случае функция мощности произвольна, хотя и ограничена снизу естественным фоном, а сверху некоторым максимальным значением, при котором наступает летальный исход для большинства клеток исследуемой популяции. Случай, когда функция мощности дозы находится между двумя крайними значениями и представляет собой плавную кривую, соответствует случаю, когда исследуемую популяцию клеток поместили в среду, содержащую радионуклиды в концентрациях выше естественных. Рассмотрение этого случая может оказаться полезным для оценки последствий проживания на загрязненных территориях или использования загрязненных продуктов.
Здесь ни в коем случае не имеется в виду, что можно использовать загрязненные продукты. Любое превышение естественного уровня недопустимо. Однако реальность такова, что это все-таки происходит, и поэтому необходимо знать, какие медицинские проблемы встанут перед обществом и каковы масштабы последствий.
Итак, подведем некоторые итоги нашего рассмотрения. Основной причиной гибели клеток, а также отдаленных последствий лучевого поражения, в том числе и образования раковых опухолей, является поражение ДНК. Уже при дозе облучения 1 Гр в каждой клетке человека повреждаются 5000 оснований молекул ДНК, возникают 1000 одиночных и 10-100 двойных разрывов, каждый из которых может стать причиной возникновения аберрации.
Цезий-137 имеет пик гамма-излучения около 1,06·10-13 Дж. Энергия бета-частиц, испускаемых стронцием-89 -- 0,9·10-13 Дж (средняя) и 1,3·10-12 Дж (максимальная), стронцием-90 -- 3,1·10-14 Дж (средняя) и 8,7·10-14 Дж (максимальная), а для другой линии -- 1,5·10-13 Дж (средняя) и 3,6·10-14 Дж (максимальная).
Показано, что число одиночных разрывов, линейно зависит от дозы облучения в очень широком диапазоне: от менее чем 0,2 Гр до 60000 Гр. Другими, словами, как бы ни мала была доза облучения, должно возникать некоторое число одиночных разрывов. Эффективность их образования изменяется в .зависимости от многих биохимических факторов, но средняя энергия на 1 разрыв для излучения с низкой ЛПЭ составляет 1,6·10-183,2·10-18 Дж. Поэтому особенно опасно внутреннее облучение, так как в этом случае происходит полное поглощение, т.е. если в организм попал стронций-96, то при испускании бета-частицы с энергией 0,9·10-13 Дж может возникнуть порядка 28300-56600 одиночных разрывов ДНК. Дальнейшая судьба этих разрывов будет зависеть от многих факторов, в том числе от состояния клетки и ее способности к восстановлению.
4.Радиочувствительность органов и тканей при внешнем облучении
В общем случае радиочувствительность органов зависит не только от радиочувствительности тканей, которые составляют орган, но и от его функций. Рассмотрим действие излучения на органы и ткани при внешнем облучении.
Гонады (половые железы). Данные о действии излучения на яичники получены при исследовании больных, прошедших лучевую терапию, а также в результате обследования женщин, подвергшихся облучению в Японии и на Маршалловых островах. Яичники взрослых женщин содержат овоциты, находящиеся на разных стадиях развития. Поэтому излучение, убивая овоциты, может вызвать стойкое бесплодие.
Воздействие однократных острых доз 1-2 Гр на оба яичника вызывает временное бесплодие и прекращение менструаций на 1-3 года. Острые дозы порядка 4 Гр приводят к бесплодию.
Облучение мужчин даже дозой 0,1 Гр вызывает снижение количества сперматозоидов в течение 1 года. Облучение дозой 2,5 Гр вызывает стерильность, которая продолжается в течение 2-3 лет, а после облучения дозой 4-6 Гр наступает постоянная стерильность. Здесь мы не рассматриваем риск рождения неполноценного потомства. Напомним, что он относится к стохастическим эффектам, т.е. существует, как говорят математики, при любой «сколь угодно малой» дозе облучения.
Кожные покровы. Радиационное повреждение кожи представляет собой комплекс поражений тканей эпидермиса, дермы и подкожных слоев. При облучении умеренными дозами (3-8 Гр) возникает характерное покраснение кожи -- эритема, которая проходит обычно через 24-58 часов. Вторая фаза наступает через 2-3 недели. Она сопровождается потерей поверхностных слоев эпидермиса. Состояние кожи близко к первой степени термических ожогов, например солнечных, и может длиться несколько недель, затем проходит. На коже остаются темные пятна. При облучении кожи дозой 10 Гр вторая фаза эритемы продолжается около недели, затем появляются волдыри, изъязвления, сопровождающиеся выделением жидкости. Состояние кожи напоминает при этом вторую степень термических ожогов, заживление может длиться неделями с последующим формированием непроходящих рубцов. При дозе порядка 50 Гр эпидермис разрушается, дерма и подкожные слои повреждаются. Лучевые реакции проявляются раньше, заживление язв и других повреждений может продолжаться годы и иметь рецидивы.
Клетки волосяных фолликулов являются довольно радиочувствительными, и облучение дозой 3-4 Гр уже влияет на рост волос. После облучения такой дозой волосы начинают редеть и выпадают в течение 1-3 недель. В более поздний период рост волос может возобновиться. Однако при облучении дозой порядка 7 Гр происходит постоянная потеря волос.
Органы зрения. Выделяют два типа поражения глаз: воспалительные процессы в конъюнктиве и склере при дозах 3-8 Гр и катаракта при дозах 3-10 Гр, причем величина дозы зависит от вида животных. У человека катаракта появляется при облучении дозой 6 Гр. Наиболее опасны в этом случае нейтроны, при облучении которыми частота заболеваний в 3-9 раз выше, чем при гамма-излучении.
Легкие. Легкие являются наиболее чувствительным органом грудной клетки. Радиационные пневмониты сопровождаются потерей эпителиальных клеток, которые выстилают дыхательные пути и легочные альвеолы, воспалением дыхательных путей, легочных альвеол и кровеносных сосудов, приводя к фиброзам. Эти эффекты могут вызывать легочную недостаточность и даже гибель в течение нескольких месяцев после облучения грудной клетки. Данные, полученные при лучевой терапии, показывают, что пороговые дозы, вызывающие острую легочную гибель, - около 25 Гр рентгеновского или гамма-излучения, а после облучения легких дозой 50 Гр гибель составляет 100%.
Органы пищеварения. Желудочно-кишечный синдром, приводящий к гибели при облучении дозами 10-100 Гр, обусловлен в основном радиочувствительностью тонкого кишечника. В случае острого тотального облучения радиочувствительность возрастает в следующем порядке: полость рта, язык, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа и печень.
Сердечно-сосудистая система. В экспериментах на мышах было обнаружено, что наиболее радиочувствителен наружный слой сосудистой стенки из-за высокого содержания в нем подверженного перерождению коллагена -- белка соединительной ткани, который обеспечивает выполнение стабилизирующей и опорной функций. Показательно, что через 4-5 месяцев после облучения некоторые сосуды оказались полностью лишенными внешней оболочки. Причем в коже мышей уже при дозах 4-15 Гр было обнаружено последующее уменьшение восстановления сосудов.
При исследовании сердца обнаружены непосредственные и отдаленные изменения в миокарде после локального облучения дозами 5-10 Гр. Получены также данные о значительной радиочувствительности клеточного слоя, выстилающего внутреннюю оболочку сердца и створки клапанов, что способствовало образованию внутрижелудочковых тромбов через полгода после локального облучения области сердца мышей дозами порядка 20 Гр.
Эндокринные железы. Клетки эндокринных желез высокоспециализированы и медленно делятся. Поэтому предполагают, что наблюдаемые после общего облучения нарушения баланса гормонов, особенно щитовидной железы, надпочечников и гонад, могут быть следствием реакции гипоталамо-гипофизарной системы, главное назначение которой -- регуляция вегетативных функций организма (деятельность внутренних органов, желез, сосудов).
Органы выделения. Считают, что почки достаточно устойчивы к облучению, но именно их повреждения являются ограничением для облучения опухолей брюшной полости при лучевой терапии. Облучение обеих почек дозой, большей 30 Гр, за 5 недель может вызвать неизлечимый хронический нефрит с летальным исходом. Механизм поражения слабо изучен, однако известно, что именно радиационные циститы приводят к серьезным осложнениям лучевой терапии.
Кости и сухожилия. В течение интенсивного роста кости и хрящи более радиочувствительны. После его окончания облучение приводит к омертвению участков кости -- остеонекрозу -- и возникновению спонтанных переломов в зоне облучения. Другим проявлением радиационного поражения является замедленное заживление переломов и даже образование ложных суставов.
Мышцы. В мышцах клеточного обновления почти не происходит. Исследования показали, что мышцы достаточно устойчивы к облучению. Слабая мышечная атрофия была обнаружена только при дозах порядка 60 Гр.
Отметим, что важным является то, каким было облучение -- локальным или общим, т.е. подвергался облучению какой-либо орган или все тело. От дозы 3-5 Гр при облучении всего тела умирает примерно половина всех облученных в течение одного-двух месяцев вследствие поражения клеток костного мозга. Локальные дозы, допустимые при лучевой терапии опухолей, могут быть значительно выше.
Еще одно замечание. Радиочувствительность определяется, как правило, по отношению к острому облучению, притом однократному. Поэтому получается, что системы, состоящие из быстро обновляющихся клеток, более радиочувствительны.
А что, если облучение является хроническим, т.е. человек живет при постоянно повышенном фоне? Тогда как раз быстро обновляющиеся клетки не будут сильно реагировать на этот фон, а для мало делящихся или совсем не делящихся клеток доза, которую они набирают в течение длительного времени, будет соответствовать той же дозе при остром облучении. Получается наоборот, что в этом случае более уязвимы те органы ткани, которые считаются более радиочувствительными. Конечно, это происходит при определенной мощности дозы. Исследования радиочувствительности в этом случае никто не проводил, поэтому наше предположение, хотя оно и совершенно очевидно, остается только предположением. Однако такое исследование остро необходимо, так как от него зависит жизнь и здоровье многих тысяч людей, вынужденных жить в условиях повышенного радиационного фона.
Эмбрион и плод. Наиболее серьезные последствия облучения -- гибель до или во время родов, задержка развития, аномалии многих тканей и органов тела, возникновение опухолей в первые годы жизни.