«Восстановление организма после облучения»
Сороквашина Екатерина, 11 «Б» класс МОУ «СОШ №37»
Научный руководитель: , начальник лаборатории психофизиологических обследований , профессор, д. мед. н.
Руководитель: , учитель физики МОУ «СОШ №37» г. Томска
6 июня 1905 года, выступая с Нобелевской речью в Стокгольме, Пьер Кюри произнёс воистину пророческие слова «Можно себе представить, что в преступных руках радий способен быть очень опасным, и в связи с этим следует задаться вопросом: является ли познание тайн природы выгодным для человечества, достаточно ли человечество созрело, чтобы извлекать из него только пользу, или же это познание для него вредоносно?...Я лично принадлежу к людям, думающим, что человечество извлечет из новых открытий больше пользы, чем зла.» К сожалению, сбылись оба предсказания, и все же следует думать, что великий учений был прав – в конечном итоге восторжествует благо.
Двадцатому веку последовательно приписывали три наименования – атомный, космический и век биологии. Можно смело утверждать, что первая из них пока наиболее ёмко, ибо есть все основания полагать, что успех в познании тайн атомного ядра и управлении его энергией окажут решающее влияние на все проблемы жизни на нашей планете и за её пределами.
Расширение контактов человечества и всего живого с ионизирующим излучением делает особенно актуальным изучение их биологического действия прежде всего биофизиками, биологами и медиками. Но о вредном влиянии ионизирующего излучения на биологические объекты говорят часто, тогда как о восстановлении организма после облучения вспоминают редко. Об этой теме пойдет речь в моей работе.
Воздействие радиации на человека заключается в ионизации биологических тканей. Какое же в точности действие оказывает радиация на человеческое тело? Когда радиоактивное излучение проходит через тело или когда в каких-либо тканях организма присутствуют радиоактивные вещества, энергия волн и частиц передается тканям, подвергающимся облучению. А при передаче энергии от радиоактивных частиц клеткам и жидкостям тела происходит повреждение клеток, нарушение их деятельности и даже гибель, в зависимости от возбуждения атомов и молекул, составляющих тело.
Эта передача энергии приводит к ухудшению состояния здоровья человека на момент облучения.
При этом поглощенная энергия в биологических тканях распределяется не равномерно, а отдельными разрозненными ''пачками''. В результате, громадное количество энергии излучения передается в определенные участки каких-нибудь клеток и совсем небольшое, если таковое вообще имеется в другие.
Подобный неравномерный характер поглощения энергии объясняет особенности воздействия радиации на организм. Общее количество поглощенной тканями энергии может быть небольшим, но некоторые клетки живой материи из-за такой неравномерности распределения энергии излучения будут значительно повреждены.
Поглощенная энергия в живом организме вызывает в нем возбуждение и ионизацию атомов и молекул, их смещение, т. е. образование дефектов, расщепление устойчивой в организме молекулы на атомы или более простые комплексы молекул, превращение одних элементов в другие.
Ничтожность поглощенного количества энергии, вызывающего тяжкие последствия, можно продемонстрировать несколькими способами.
Например, энергию (дозу) рентгеновского излучения, несомненно, смертельного для человека при общем облучении, можно сравнить с тепловой энергией. При этом смертельная энергия рентгеновского излучения будет меньше тепловой энергии, поглощенной организмом после выпитой чашки горячего кофе, или после нескольких минут принятия солнечных ванн в теплый день. В свою очередь энергию смертельной дозы поглощенного рентгеновского излучения можно сравнить и с механической энергией: она будет соответствовать работе, выполняемой одним человеком при подъеме тела другого человека на высоту 40 см над уровнем пола.
Тепловая или механическая энергия поглощается в тканях одинаково и равномерно. Поэтому, чтобы вызвать повреждение в живом организме, энергии подобного типа потребуется намного больше, чем энергии ионизирующего излучения.
Для ионизирующего излучения нет барьеров в организме. Любая молекула может быть ионизирована и отсюда начинается путь радиоактивного поражения в виде разнообразных радиационно-химических реакций, биохимических сдвигов, разрегуляции, структурно - функциональных нарушений.
Радиация увеличивает (неблагоприятным для тела образом) активность всех биологических систем. Основными элементами, составляющим тело, являются углерод, кислород, водород и сера. Кислород играет главную роль в расщеплении углеводов и жиров для получения энергии. Эта энергия используется клетками для построения белков, необходимых для формирования тканей тела. Кислород также играет ключевую роль в образовании ферментов, действующих в качестве катализаторов в биохимических реакциях.
Взаимодействуя с атомом или молекулой тела, радиоактивное излучение может выбить оттуда электрон.
Обычно свободные электроны захватываются молекулами кислорода. Имея лишний электрон, такая молекула кислорода становится нестабильной, она приобретает большую способность реагировать с другими молекулами, и будет пытаться "отобрать" электрон у другой, находящейся по соседству молекулы для восстановления своего стабильного состояния. Молекула, из которой был взят этот добавочный электрон, тоже становится нестабильной, и будет "отнимать" электрон у другой молекулы.
Результатом этого будет настоящая цепная реакция в теле человека. Таким образом, химически активные молекулы кислорода нарушают функции и структуру клеток.
Поскольку кислород присутствует в больших количествах внутри и вне клеток, образование большого количества химически активного кислорода при радиационном облучении приведет к разрушению других химических соединений в клетках, так как их молекулы будут стремиться к возвращению в стабильное состояние.
Пораженными веществами в теле могут быть жиры или белки, жизненно необходимые для нормальной деятельности клеток. При поражении определенных белков, находящихся в клетке, результатом могут быть мутации, которые, в свою очередь, могут сделать организм предрасположенным к раку.
Таким образом, радиация вызывает образование большого количества свободных электронов в организме человека. Это затем приводит к образованию химически активного кислорода и других измененных веществ, которые разъедают ткани, вызывая:
-нарушение структуры клетки;
- подавление активности ферментов;
- образование аномальных белков;
- образование веществ, вызывающих мутации и рак;
- гибель клеток.
В организме включаются защитные силы, начинает противостоять альтернативный путь восстанавливающих процессов и биологических реакций, направленных на исправление, адаптацию, компенсацию. Это противоборство, начавшись на молекулярном, невидимом и не чувствуемом уровне, постепенно поднимается на всё более высокие этапы биологического организма: от клетки к отдельным органам далее ко всему организму.
Исход борьбы зависит от дозы, сотни бэр - безусловная реализация поражения, вплоть до гибели организма.
При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани различных органов и явиться причиной скорой гибели организма. Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, обыкновенно проявляются в течение нескольких часов или дней. Раковые заболевания, однако, проявляются спустя много лет после облучения - как правило, не ранее чем через одно-два десятилетия. А врождённые пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, по определению появляются лишь в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдалённые потомки индивидуума, подвергшегося облучению.
Воздействие малых доз облучения обнаружить почти всегда оказывается очень трудно. Частично это объясняется тем, что для их проявления должно пройти очень много времени. Но даже и обнаружив какие-то эффекты, требуется ещё доказать, что они объясняются действием радиации, поскольку и рак, и повреждения генетического аппарата могут быть вызваны не только радиацией, но и множеством других причин.
Чтобы вызвать острое поражение организма, дозы облучения должны превышать определённый уровень, но, нет никаких оснований считать, что это правило действует в случае таких последствий, как рак или повреждение генетического аппарата. По крайней мере, теоретически для этого достаточно самой малой дозы. Однако в то же самое время никакая доза облучения не приводит к этим последствиям во всех случаях. Даже при относительно больших дозах облучения далеко не все люди обречены на эти болезни: действующие в организме человека защитные механизмы обычно ликвидируют все повреждения.
Точно так же любой человек, подвергшийся действию радиации, совсем не обязательно должен заболеть раком или стать носителем наследственных болезней; однако вероятность, или риск, наступления таких последствий у него больше, чем у человека, который не был облучён. И риск этот тем больше, чем больше доза облучения.
Особый стимул развитию всех аспектов радиационной безопасности был дан происшедшей в 1986 г. аварией на Чернобыльской АЭС. Чернобыльская авария по своим масштабам превзошла прошлые радиационные инциденты, так как привели к радиационному загрязнению огромных территорий земного шара. Важно иметь в виду, что ко времени аварии на четвертом блоке ЧАЭС, т. е. к 1986 г., радиационная медицина была подготовлена к решению абсолютного большинства возникших вопросов как на основании научного анализа возможных последствий облучения человека, так и исходя из практического опыта их преодоления в прошлых радиационных авариях.
Под радиационным фоном понимают ионизирующее излучение земного и космического происхождения, постоянно воздействующее на человека. Различают естественный, технологически измененный естественный и искусственные радиационные фоны.
Естественный радиационный фон обусловлен излучением природных радионуклидов Земли и космическим излучением.
Технологически измененный естественный радиационный фон формируется из природных источников ионизирующего излучения, например излучения рассеянных в окружающей среде естественных радионуклидов, извлеченных из недр Земли вместе с полезными ископаемыми или содержащихся в строительных материалах жилищ.
Искусственный радиационный фон — глобальное загрязнение окружающей среды искусственными радионуклидами, образующимися при расщеплении ядер урана и плутония; возник после начала испытаний ядерного оружия, а также частично за счет выброса атомными электростанциями благородных газов, углерода и трития. Искусственный радиационный фон в масштабах земного шара в среднем составляет 1—3% естественного радиационного фона.
Мерой радиационного фона на местности является мощность поглощенной дозы, а оценки влияния на человека — годовая эффективная доза'.
Эффективная доза - эквивалентная доза, умноженная на взвешивающий коэффициент, учитывающий разную радиочувствительность отдельных тканей.
Противопоказано при лечении последствий облучения применение сульфаниламидных препаратов из-за их лейкопенического действия. Ограниченное применение имеют наркотические средства, в частности препараты морфия, к которым замечено повышение чувствительности облученного организма. Наконец, учитывая склонность к геморрагиям, следует избегать, по возможности, любых инъекций.
Итак, оценивая современные возможности терапии ОЛБ, можно уверенно констатировать, что при правильной оценке степени поражения критических систем в условиях, когда в принципе возможно спонтанное восполнение их клеточного фонда, грамотно спланированная и тщательно осуществленная терапия позволяет получить выживание примерно половины пострадавших, которые без лечения были бы обречены на гибель.
• Под лучевой болезнью человека понимают определенный комплекс клинических проявлений, развивающихся в организме в результате воздействия ионизирующих излучений.
• Разнообразие форм лучевой болезни определяется видом ионизирующего излучения, поглощенной дозой и ее распределением в облучаемом объеме и во времени, т. е. условиями облучения.
• Условия облучения характеризуются пространственными и временными факторами
строгой периодичностью клинического течения. Различают три периода в течении ОЛБ — период формирования, период восстановления и период исходов и последствий.
• Период формирования ОЛБ четко делится на четыре фазы: фазу первичной реакции, фазу кажущегося клинического благополучия (скрытую или латентную фазу), фазу выраженных клинических проявлений (фазу разгара) и фазу раннего восстановления.
• Степень тяжести ОЛБ определяется поглощенной дозой. Развернутый симптомокомплекс ОЛБ возникает при дозах, превышающих 1 Гр. При меньших дозах клинические проявления отсутствуют или отмечаются преходящие реакции со стороны отдельных систем. При 1—2 Гр возникает ОЛБ I (легкой) степени, при 2—4, Гр — II (средней) степени, при 4—6 Гр — III (тяжелой) степени. При дозах, превышающих 6 Гр, развивается IV (крайне тяжелая) степень ОЛБ.
• Непосредственный исход ОЛБ определяют радиационные изменения, происходящие в основных критических системах (при дозах до 10 Гр) в системе кроветворения.
• Современные возможности терапии ОЛБ позволяют утверждать, что при правильной оценке степени поражения критических систем, если в принципе возможно восполнение их клеточного фонда, грамотно спланированное и тщательно осуществленное лечение обеспечивает выживание не менее половины пострадавших, которые без него были бы обречены на гибель.
• ХЛБ развивается в результате продолжительного облучения в малых дозах при интенсивности 0,1—0,5 сГр/сут после суммарной дозы 0,7—1 Гр.
• При самом благоприятном непосредственном исходе ОЛБ и ХЛБ, включая грамотное полноценное лечение, даже при относительно небольших дозах не исключается возможность развития отдаленных последствий облучения.
Возможные медицинские последствия радиационных аварий:
Существует два вида возможных медицинских последствий любой крупной радиационной аварии:
- собственно радиационные, точнее, радиологические последствия, являющиеся результатом непосредственного воздействия ионизирующего излучения;
-различные общие расстройства здоровья, вызванные любыми факторами аварии нерадиационной природы, например социальными, стрессовыми или психологическими.
Исторический страх перед радиацией возник в связи с ужасными последствиями двух атомных бомбардировок, хотя и тогда основные жертвы были результатом отнюдь не облучения, а следствием воздействия ударной волны, ожогов.
Крупнейшая глобальная радиационная авария на ЧАЭС (далее — авария) и ее последствия не могли не вызвать бурной реакции населения всего мира и особенно непосредственно пострадавших от нее стран — Белоруссии, России и Украины. Авария произошла в 1 ч 24 мин после полуночи 26 апреля 1986 г. во время технических испытаний малой мощности, проводившихся на реакторе четвертого блока станции. Системы безопасности реактора были в нарушение всех норм и правил эксплуатации отключены, а управляющие стержни выведены из реактора, так что происшедший во время эксперимента переход в неустойчивый режим работы привел к резкому, неконтролируемому подъему мощности, что вызвало серию взрывов пара (теплоносителем в реакторе служила вода), разрушивших сам реактор и повредивших его здание. Выброшенные взрывом обломки активной зоны реактора вызвали более 30 очагов возгорания на крыше, покрытой легко воспламеняющимся гудроном. Уже через пять минут на место аварии прибыли 14 пожарных, а через 2 ч на объекте работали 250 человек, из которых 69 непосредственно участвовали в тушении пожара.
Радиоактивное загрязнение земной поверхности
Основные дозовые нагрузки на население создают I(131) (в первые недели после взрыва) и Cs(137) (в течение всего послеаварийного периода). Радиоактивному загрязнению земной поверхности в той или иной степени подверглись практически все страны северного полушария. Загрязненными принято называть территории, в которых средняя плотность выпадения Cs(137) превышает 37 кБк/км2 (1 Ки/км2).
На территории СССР были выделены три основных района загрязнения: Центральный, охватывающий часть ближней зоны вокруг реактора, Гомельско-Могилевско-Брянский (в 200 км к северу и к северо-востоку) и Калужско-Тульско-Орловский (в 500 км к северо-востоку от реактора). Наибольшая плотность загрязнения (более 40 Ки/км2) наблюдалась в 30-километровой зоне вокруг реактора. Всего в республиках СССР было загрязнено более км2 территорий.
Принято различать три категории лиц, подвергшихся облучению в результате аварии:
— «аварийный» персонал, работавший в первый день аварии (ликвидаторы первой волны), и лица, участвовавшие в дальнейшем ослаблении последствий аварии (ликвидаторы);
— жители, эвакуированные из загрязненных районов;
— население, проживающее в загрязненных районах.
Более трех первых лет после аварии мероприятия по ослаблению ее последствий рассматривались Советским Союзом исключительно как его внутреннее дело. Однако с 1990 г. начало развиваться международное сотрудничество, которое сыграло важную роль в объективной оценке последствий аварии для здоровья.
В 1990—1991 гг. МАГАТЭ по просьбе правительства СССР организовало Международный чернобыльский проект для оценки разработанной в Советском Союзе концепции проживания на слабо загрязненных территориях и эффективности мероприятий по защите здоровья этого населения.
В период 1992—1995 гг. Всемирная организация здравоохранения осуществила Международную программу работ по медицинским последствиям аварии (IPHECA — АЙФЕКА). Был реализован ряд проектов по анализу методов регистрации заболеваемости и ретроспективной оценки доз облучения.
В 1991 —1996 гг. Японский мемориальный фонд здравоохранения Сасакавы профинансировал самую большую программу медицинского обследования детей. В ходе реализации этой программы были созданы пять областных диагностических центров в Белоруссии, России и на Украине, оснащенных современным мобильным оборудованием.
Отдаленные радиологические последствия
Рак щитовидной железы (ЩЖ)
Рак ЩЖ — достаточно редкое онкологическое заболевание, однако у детей он является наиболее распространенной формой рака. У младенцев или детей моложе 10 лет ЩЖ является органом с наибольшей восприимчивостью к лучевому раку. После 20 лет канцерогенный эффект чрезвычайно мал.
Таблица 23.2. Относительный риск (ОР) рака ЩЖ в зависимости
от возраста в момент острого облучения в дозе 1 Гр (сводные данные, по М. Тюбиана, 2000)
Пациенты (по данным Э. Рон, 1995) | Выжившие в Хиросиме и Нагасаки | ||
Возраст, лет | Относительный риск | Возраст, лет | Относительный риск |
0 — 4 | 40 | 0-9 | 9,5 |
5-9 | 20 | 10-19 | 3 |
10- 14 | 10 | - | - |
20-30 | 1 | 20-39 | 0,3 |
>30 | 0 | >40 | 0,2 |
Лейкозы
Радиациационно-индуцированные лейкозы — наиболее рание виды злокачественных новообразований, проявляющиеся уже первые 2—3 года после облучения, а максимальная частота их регистрируется через 4—6 лет.
Замещение костного мозга
Первые попытки трансфузии костного мозга у экспериментальных животных, предпринятые еще в 30-е годы, закончились неудачно. Вторично интерес к этой проблеме возник в связи с развитием иммунологии, когда стало понятно, что причина неудачных трансфузий заключается в несовместимости костного мозга Донора с организмом реципиента.
Анализируя рассматриваемое явление на клеточном уровне, вполне логично предположить, что доля клеток, выживших после первого облучения, должна быть представлена наиболее радиорезистентной частью асинхронной популяции костного мозга. Поэтому увеличение интервала между повторными облучениями должно сопровождаться снижением резистентности вследствие продвижения клеток по циклу в сторону более чувствительных стадий. На самом же деле увеличение этого интервала до нескольких часов приводит к увеличению числа выживших клеток, что однозначно свидетельствует о наличии истинного восстановления жизнеспособности части клеток, которое подтверждено в экспериментах М. Элкайнда на синхронизированных клеточных культурах.
Изменение радиочувствительности организма в первые часы после облучения наблюдается и при более высоких дозах, вызывающих «кишечную» гибель. При рентгеновском двукратном облучении мышей в суммарной дозе 12 Гр также наблюдается фазное изменение радиорезистентности организма, тестируемое по интенсивности «кишечной» гибели, — числу мышей, погибших к 4-м сут. В этом случае существование истинного восстановления подтверждается отсутствием различий между эффектами однократного и повторного облучения нейтронами вызывающими трудно репарируемые или вовсе нерепарируемые повреждения клеток.
Регенерация костного мозга и пострадиационное восстановление организма
Многочисленные экспериментальные данные, как уже упоминалось в предыдущей главе, послужили основанием для заключения о том, что восстановление организма млекопитающих после облучения в значительном диапазоне доз (при тотальном облучении вплоть до 10 Гр, а при экранировании кишечника и до 16—18 Гр) является следствием регенерации определенного числа сохранившихся жизнеспособными полипотентных кроветворных стволовых клеток.
При этом, однако, нельзя не отметить, что несмотря на весьма активное развитие специальных исследований, пока не разработаны методы, позволяющие разделить различные субпопуляции стволовых клеток, а потому все еще остается спорным вопрос о роли стволовой клетки как единой полипотентной клетки — предшественницы кроветворной и лимфоидной тканей.
Выше было показано, что опустошение костного мозга мышей и крыс начинается тотчас после облучения и в 1-е сут (а при дозах более 7 Гр и в последующие 2—3 сут) происходит по экспоненциальному закону с одной и той же скоростью. Основной причиной катастрофического начального опустошения костного мозга является задержка клеточного деления при продолжающемся выходе форменных элементов в кровеносное русло с обычной скоростью, на которой облучение практически не сказывается. В этом процессе почти не участвуют лимфоциты; погибая на месте, в костном мозге, поапоптотическому пути, они не влияют на общую картину его опустошения, так как вообще составляют 20—25% общего числа клеток костного мозга, а к 5—6-му часу после облучения их остается всего 1/5 от исходного количества.
Так как облучение не сказывается на скорости поступления клеток в кровь, то по кинетике начального опустошения костного мозга можно судить о средней скорости образования его пролиферативного пула в норме.
Соматические расстройства здоровья
В обществе большую тревогу вызывают продолжающиеся до «последнего времени сообщения о росте самых различных соматических расстройств здоровья, а также общей заболеваемости среди жителей загрязненных территорий, что обычно рассматривают исключительно как последствия облучения в малых дозах, не учитывая влияния других вредных факторов аварии внерадиационной природы. Этот важный вопрос детально изучен отечественными и международными специалистами и в «Отчете НКДАР-2000» ему дана квалифицированная экспертная оценка. Большое внимание было привлечено к выявлению незлокачественных заболеваний ЩЖ. В проведенных оценочных работах, включая обширные скрининговые исследования в период 1991 —1996 гг., охватившие 160 тыс. детей.
Первое исследование всех прочих соматических последствий аварии среди репрезентативной выборки было проведено в рамках Международного чернобыльского проекта в 1990—1991гг. При этом были обнаружены существенные изменения здоровья населения в загрязненных и в контрольных районах, однако их нельзя отнести только к влиянию облучения. Этот вывод остался справедливым и в настоящее время. Так, например, гематологическое исследование детей, проведенное по специальной программе 1 в пяти международных центрах Белоруссии, России и Украины, показало, что частота гематологических нарушений не зависела от 1 уровня загрязнения местности Cs(137) на момент аварии или на время обследования или от его концентрации в организме.
В ряде исследований сообщается об ухудшении здоровья и роста числа заболеваний сердечно-сосудистой, пищеварительной, нервной, эндокринной и костно-мышечной систем на загрязненных новообразований, включая лейкозы, сохраняется и через 40 лет после облучения. Следует иметь в виду, что в абсолютных величинах частота заболеваемости в эти сроки весьма незначительна.
После аварии на ЧАЭС в будущем нельзя исключить возможности незначительного увеличения числа солидных опухолей среди ликвидаторов и населения, получивших относительно более высокие дозы. Учитывая большую научную значимость данных о радиационном канцерогенезе 500 и низких уровнях облучения, исследованиям в данном направлении должно быть уделено особое внимание. При этом тщательному изучению должна подвергаться не только исследуемая, но и контрольная популяция, не подвергавшаяся радиационному воздействию.
Авария привела к долговременным изменениям в жизни людей, проживавших в загрязненных районах, поскольку меры по снижению уровней излучения включали переселение, изменения в поставках продовольствия и ограничения в повседневной деятельности отдельных лиц и целых семей. Эти события сопровождались большими экономическими, социальными и политическими переменами в затронутых аварией странах, вызванными распадом Советского Союза. Таким образом, психологические и иные последствия аварии, в том числе и многие расстройства здоровья, обусловлены не самим по себе облучением, а сопровождающими аварию социальными факторами.
В процессе широкого изучения психологических последствий аварии сообщалось о таких симптомах, как головная боль, нарушение сна и эмоционального равновесия, неспособность конценрировать внимание. Убежденность многих людей в том, что наиболее вероятной причиной их плохого здоровья является длительное облучение в малых дозах, могла вызвать или усилить их недомогание. Итак, по прошествии 17 лет после Чернобыльской аварии не имеется свидетельств серьезного влияния ее радиационного фактора на здоровье абсолютного большинства людей. Исключение составляет значительно большее прогнозируемого увеличение рака ЩЖ у лиц, находившихся во время облучения в детском возрасте. Не отмечено пока и увеличения общей заболеваемости злокачественными новообразованиями или смертности от них, которое можно было бы отнести за счет радиационного воздействия ни у населения, ни у ликвидаторов, получивших большие, чем население, дозы облучения. До сих пор не зарегистрировано ни одного случая радиационно-ассоциированных наследственных заболеваний или врожденных пороков развития.
Среди последствий неблагоприятного действия ионизирующих излучений четко установить связь ущерба здоровью с действием именно радиации можно лишь в отношении лучевой болезни, которой присущ характерный только для нее симптомокомплекс. Характерные признаки лучевой болезни в условиях острого облучения могут быть надежно зарегистрированы, начиная с дозы в 1 Гр. Поэтому в радиобиологии человека дозы свыше 1 Гр рассматриваются как высокие, непременно сопровождающиеся преходящим или постоянным ущербом для здоровья. При более низких дозах облучения не возникает поражений, присущих действию исключительно радиационного агента, поэтому регистрируются заболевания, которыми человечество страдает вне всякой связи с повышенным, по отношению к фоновому уровню, облучением. Выявить повышение уровня заболеваемости при дозах менее 1 Гр" удается не у индивидуального объекта, а только статистическими методами, путем сравнения частоты проявления изучаемого отклонения от нормы в облученных и контрольных группах. При этом чем ниже доза, тем меньше превышение над «базовым», спонтанным уровнем заболеваемости и тем труднее оно выявляется, так как спонтанный уровень подвержен существенным колебаниям. Например, заболеваемость определенными видами злокачественных новообразований широко варьирует в разных регионах одной и той же страны, меняется от одной национальной группы к другой (это связано, например, с привычками в питании), имеет выраженный временной тренд (возрастает число заболеваний, обусловленных курением, снижением деторождения и т. д.
Категории облучаемых лиц, дозовые пределы
Для нормальных условий эксплуатации источников излучения установлены три категории облучаемых лиц: персонал, подразделяемый на группы А и Б, и население, которое включает и лиц из «персонала, но вне сферы их производственной деятельности.
Для этих категорий устанавливаются следующие три класса нормативов.
Основные пределы доз для персонала и населения, причем основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни обручения, для персонала группы Б равны 1/4 значений для персонала группы А. Пределы годовой эффективной дозы, приведенные в табл. 24.1, не должны превышаться и в случаях одновременного воздействия на человека источников внешнего и внутреннего обучения.
Таблица 24.1. Основные пределы доз для персонала и населения, мЗв
Нормируемые величины | Пределы доз | |
Персонал (группа А) | Население | |
Эффективная доза за год | 20 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв/год | 1 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв/год |
Эквивалентная доза за год: в хрусталике глаза в коже в кистях и стопах | 150 500 500 | 15 50 50 |
Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) — 70 мЗв. Начало периодов вводится с 1 января 2000 г.
Для женщин в возрасте до 45 лет, работающих с источниками излучения, вводятся дополнительные ограничения: эквивалентная доза на поверхности нижней части области живота не должна превышать 1 мЗв/мес, а поступление радионуклидов в организм за год не должно быть более 1/20 предела годового поступления для персонала. В этих условиях эквивалентная доза облучения плода за 2 мес. невыявленной беременности не превысит 1 мЗв.
Для сравнения приведем дозы, получаемые жителями Москвы за одну рентгенодиагностическую процедуру в 1999 г.: при рентгенографии — 1,33 мЗв; рентгеноскопии — 5,02 мЗв; флюорографии — 0,6; компьютерной томографии — 3 мЗв. Наибольшую дозу человек получал при обзорной рентгенографии почек и урографии — 46 мЗв. В среднем на одного жителя эффективная годовая доза составила 2 мЗв.
Основные дозовые пределы приведены в единицах эквивалентной дозы (Зв), используемой при радиационном нормировании и оценке опасности хронического воздействия ионизирующего излучения произвольного состава. Эквивалентную дозу (Н) в органе или ткани определяют из уравнения Н = DWR где D — средняя поглощенная доза в органе или ткани, WR - взвешивающий коэффициент для излучения R. При воздействии нескольких видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз. Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучений, учитывающие их относительную эффективность в индуцировании биологических эффектов, представлены ниже.
Годовая эффективная (эквивалентная) доза — это сумма эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением за этот же год в организм радионуклидов.
Коллективная эффективная доза — это мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения, равная сумме индивидуальных коллективных доз; она измеряется в человеко-зивертах.
В условиях радиационных аварий необходимо проводить специальные мероприятия по ограничению острого и хронического облучения населения. Для таких случаев в Нормах предусмотрены прогнозируемые уровни облучения, при которых необходимо срочное вмешательство, направленное на снижение либо вероятности облучения, либо дозы, либо неблагоприятных последствий. Кроме того, разработаны критерии для принятия неотложных решений в начальном периоде радиационной аварии, а также таких форм вмешательства, как отселение населения и ограничение потребления загрязненных пищевых продуктов, и, кроме того, указаны требующие вмешательства уровни хронического воздействия.
Отсутствие порога принимается в первую очередь в отношении канцерогенного действия, исходя из того, что воздействие радиации на клетку является стохастическим, и при какой угодно малой дозе какое-то количество клеток будет поражено. Вероятностным является и процесс полного восстановления исходной структуры ДНК пораженной клетки, так как никогда нельзя исключить ошибочность репаративного процесса. Таким образом, с одной стороны, теоретически нельзя исключить и вероятность гибели всего организма, состоящего из многих миллиардов клеток, от изменений ДНК всего в одной клетке, произошедших в результате нескольких кластеров ионизации. Но, с другой стороны, помимо репарации ДНК, в клетке действует и система надзора за структурой ДНК, которая при обнаружении повреждений ДНК принуждает клетку прибегнуть к апоптотической гибели. Защита организма от последствий изменения ДНК, вызванного различными причинами, имеет несколько уровней. Поэтому наряду с упомянутой возможностью гибели организма от нескольких актов ионизации ДНК одной клетки можно говорить о принципиальной возможности снижения вероятности такого процесса до столь низкого уровня, при котором практически существует порог дозы, ниже которого дополнительный радиационно-индуцированный эффект не может быть обнаружен.
Как уже неоднократно говорилось, зависимость действия излучения от дозы в диапазоне малых доз на уровне организма неизвестна. В настоящее время нет фактов, на основании которых можно было бы решить, убывают ли неблагоприятные последствия облучения линейно с дозой вплоть до нуля, или зависимость доза—эффект в области малых доз нелинейна, так что существует пороговая доза, ниже которой облучение не причиняет вреда. Например, если считать, что недостаточность репарации или ее ошибочность всегда составляют определенный процент от нанесенных ДНК повреждений, то вероятность поражения клетки сохранится до любых, сколь угодно низких доз излучения. Но вполне возможно, что процессы репарации способны полностью элиминировать какое-то число повреждений ДНК, и недостаточность этих процессов начинает проявляться только после нанесения клетке большего числа повреждений. В этом случае последствия облучения начнут проявляться только при дозах сверх некоторых «пороговых».
Отдельно детально рассматривается облучение в медицинских целях. Акцент здесь делается на оправданность медицинских процедур. Ограничение дозы для отдельного пациента не рекомендуется, если оно принесет больше вреда, чем пользы, вследствие снижения эффективности диагностики или лечения.
Между тем в находящейся под тщательным медицинским наблюдением когорте выживших после атомной бомбардировки японцев, с одной стороны, по большинству индексов возрастной инволюции до сих пор не отмечено признаков преждевременного старения, а с другой — отмечается тенденция к увеличению продолжительности жизни по сравнению с необлученной когортой и со средними показателями населения Японии, являющимися, кстати, наибольшими в мире. Не отмечено сокращения СПЖ и среди населения Южного Урала, пережившего облучение в результате массированного радиационного загрязнения водного бассейна и территории в начале 50-х годов.
Теперь об индукции злокачественных новообразований, но сначала о спонтанном канцерогенезе.
Масса человека, а следовательно, и число клеток у него в 3000 раз больше, чем у мыши. Казалось бы, что в связи с этим, а также большей продолжительностью жизни человека должна существенно увеличиваться и вероятность злокачественной трансформации его генома. Вероятно, так это происходит и на самом деле, ибо, как показали исследования последних лет, каждый из нас, действительно, является носителем онкогенов, т. е. потенциального рака. Между тем рак развивается в среднем только у 20% людей в течение их жизни, и это несоответствие до сих пор не нашло непротиворечивого объяснения, хотя вполне логично допустить, что ослабление вероятности реализации первичной трансформации в новообразование у человека опять же связано с высокой функциональной активностью репарационных систем и систем клеточного надзора.
Понимание этих благоприятных для человека отличий требует проведения ряда направленных исследований, среди которых назовем следующие:
— Сравнение вероятности развития радиационно-индуцированного рака у мышей разных линий и у человека.
— Сравнительное изучение передачи радиационно-индуцированных мутаций и эпигеномных изменений в поколениях клеток и простейших в отличие от наследования соматических мутаций в потомстве животных и человека.
— Изучение роли нестабильности генома в проявлении стохастических и нестохастических последствий облучения.
— Изучение механизма поздней реализации «консервированных» повреждений в мало обновляющихся системах организма.
— Исследование роли коммунального (абскопального) эффекта радиации в проявлении различных видов лучевого поражения.
— Исследование позитивных радиационных эффектов, в частности, адаптивного ответа и гормезиса у животных и человека.
Человек должен жить долго и счастливо, и знание радиобиологии должно обезопасить его от неблагоприятного действия радиации и помочь использовать ее для улучшения своего здоровья.
Восстановление клеток и репарация ДНК
Связь между восстановлением от потенциальнолетальных и сублетальных поражений, наблюдаемом на клеточном уровне, с повреждением ДНК можно представить себе следующим образом. Часть поражений ДНК столь велика, что клетка не сможет пройти несколько делений, необходимых для ее учета как жизнеспособной, сколько бы времени у нее не было для восстановительных процессов. Часть поражений, вероятно, репарируется достаточно быстро ферментативными системами, действующими в обычном режиме. Благодаря этому часть клеток после облучения вступает в деление в обычное время, производя клоногенное потомство. У других клеток поражения элиминируются благодаря удлинению цикла, наступающему при обнаружении поражений во время прохождения клеткой чекпойнтов. Феноменологически это выглядит в виде задержки митозов, возрастающей с увеличением дозы излучения. Если клетка в момент облучения находится вне цикла, то у нее больше возможностей для восстановления, чем у клетки, активно реплицирующей ДНК и готовящейся к митозу. Поэтому клетки в стационарной фазе роста, независимо оттого, находятся ли они там из-за дефицита питательных веществ или из-за контактного ингибирования (скорость прохождения цикла уменьшается даже у опухолевых клеток после того, как они покрывают всю поверхность культурального сосуда, хотя у них контактное ингибирование выражено несоизмеримо слабее, чем у клеток нормальных тканей) имеют больше времени для репарации потенциальных леталей. Если после облучения клетки сразу пересеять, поместив их на хорошую питательную среду и дав им место для размножения, то они не успеют отрепарировать повреждения ДНК до начала быстрого продвижения по циклу и погибнут. Если их пересеять через несколько часов после облучения, то их клоногенность возрастет. Это — эффект восстановления от потенциальнолетальных поражений.
Часть нанесенных повреждений ДНК не влияет на выживание клетки и подвергается удалению в процессе ее нормальной жизнедеятельности.
Восстановление клеток
Явление восстановления клеток от лучевого поражения было ОТКРЫТО в конце 50-х годов. Здесь имеется в виду восстановление самой облученной клетки, а не восстановление на тканевом уровне (регенерация) известное гораздо раньше и послужившее основой для развития фракционированных режимов лучевой терапий" опухолей, которые стали использовать еще в 20-е годы прошлого века.
В 1959 г. в опытах на дрожжах было показано, что если после облучения суспензии клеток вместо немедленного высева на питательные среды выдержать несколько часов в так называемой «голодной среде» и лишь затем поместить в нормальные для роста условия, то их способность к почкованию значительно увеличивается. Впоследствии такой вид восстановления был изучен в количественном плане и на животных клетках и получил название восстановления от потенциально летальных поражений.
Второй вид восстановления клеток носит название восстановления от сублетальных поражений. Он был обнаружен в опытах с фракционированным облучением одноклеточного объекта — хламидомонады — в 1957 г. Через два года эффект был детально изучен на клетках млекопитающих М. Элкайндом, который определил динамику восстановления клоногенной способности клеток в зависимости от времени между фракциями дозы!
Процессы восстановления в облученном организме
Восстановление организма после острого лучевого поражения в первом приближении можно свести к пролиферации клеток, сохранивших жизнеспособность, благодаря чему восполняется убыль популяции клеток критических органов и систем, а следовательно, восстанавливается их функциональная полноценность.
Источником пострадиационного восстановления критических тканей и органов могут быть не только неповрежденные клетки, но и клетки, поврежденные обратимо и восстановившие жизнеспособность, точнее, способность к неограниченному размножению.
В любой облученной клеточной популяции следует различать два типа пострадиационного восстановления: репарацию на клеточном уровне, детально описанную в гл. 8, и пролиферацию клеточных элементов.
Процессы восстановления в организме животного и человека после облучения протекают с различной скоростью: наивысшей в активно пролиферирующих тканях и минимальной в тканях с низким уровнем пролиферации.
Пострадиационное восстановление — ликвидация повреждения, вызванного воздействием ионизирующего излучения.
Пострадиационное восстановление проявляется на различных уровнях биологической организации от молекулярного до организменного. В его основе лежат физиологические процессы, направленные на обеспечение стабильности генетического материала и клеточного обновления жизненно важных систем. П. в., протекающее в облученных клетках без их деления (внутриклеточное восстановление), обозначают термином «репарация». В клетках облученного организма происходит репарация сублетальных и потенциально летальных повреждений. Репарация сублетальных повреждений характерна для активно пролиферирующих клеток, например клеток костного мозга и эпителия кишечника. При таком типе П. в. в первые несколько часов после облучения репарируются повреждения, делающие клетку более чувствительной к повторному облучению. Репарация сублетальных повреждений обычно бывает полной и завершается до вступления облученных клеток в период синтеза ДНК.
Репарация потенциально летальных повреждений характерна для клеток, находящихся в фазе временного или постоянного пролиферативного покоя, например для клеток печени, почек, головного мозга. В этом случае выживаемость клеток возрастает с увеличением временного интервала между облучением и воздействием стимула к клеточной пролиферации или при снижении мощности дозы излучения. Репарация потенциально летальных повреждений обычно не является полной, часть популяции представляют клетки, потерявшие способность к «бесконечному» размножению и отмирающие после одного или нескольких делений.
Многообразие процессов П. в обусловлено как многочисленностью возникающих радиационных повреждений, так и использованием различных показателей — повреждений ДНК, хромосом и целых клеток. Кроме того, доказано, что различные репаративные процессы, разделенные по скорости их молекулярных проявлений, протекают параллельно. Соответствующие типы репарации могут быть полностью или частично завершенными; кроме того, в ряде случаев репарация протекает как «ошибочная». Доказан генетический контроль различных этапов репаративных процессов. В процессах репарации принимают участие многочисленные ферменты — ДНК-полимеразы, рестриктазы, лигазы и др. На клеточном уровне может быть восстановлена большая чисть повреждений молекул-мишеней. Так, например, при облучении в дозе 1 Гр в клетках млекопитающих в среднем образуется около 1000 одиночных разрывов ДНК, 100 двойных разрывов и 1500 испорченных её оснований, которые реализуются затем всего в 1 хромосомную аберрацию обменного типа, т. е. до 99,9% молекулярных повреждений ДНК могут быть восстановлены. Однако из-за стохастического (вероятностного) характера нанесения различных повреждений и невозможностью 100% репарации в каждой клетке или ее генетической структуре, даже при самой низкой дозе излучения, существует некоторая вероятность летального повреждения или индуцирования мутаций.
Пострадиационное восстановление тканей облученного организма включает как внутриклеточное восстановление, так и размножение выживших клеток, замещающих погибшие. В органах и системах, в которых клеточное обновление происходит медленно (стационарные системы), а у взрослых практически отсутствует, результат лучевого поражения по завершении репарации потенциально летальных поражений зависит от степени повреждения эндотелия сосудов. В результате развивающихся нарушений микроциркуляции происходит снижение общей клеточности и функциональных возможностей тканей. Такую постепенно реализующуюся реакцию на действие облучения рассматривают как проявление необратимого компонента радиационного поражения на тканевом уровне. Он появляется в отдаленные сроки после облучения и в системах быстрого клеточного обновления. В данном случае он может быть связан не только с уменьшением пролиферативного потенциала стволовых клеток (из-за дополнительной пролиферации при восстановлении клеточности системы в острый период лучевого поражения), но и с истощением медленно обновляющейся стромы (в результате повреждения микроциркуляции, обновления фибробластов и др.).
Список литературы
1. А. Радиация, биосфера, технология. – СПб.: Изд-во ДЕАН, 2004. – 448 с.
2. Грачёв Н. Н., О. Защита человека от опасных излучений. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. – 317 с.
3. Данные и информация, полученные в ходе экскурсии в НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете.
4. П. Жизнь, рак, радиация. – М.: ИздАТ, 1993. – 16
5. Обзор газет «Красное Знамя» , « Новое время» за год
6. , Черниченко В. И. с соавт. Интраоперационная лучевая терапия: технологическое обеспечение, возможности, перспективы // Вестник рентгенологии и радиологии, 1996, № 2, стр. 45–48;
7. Ярмоненко человека и животных, учеб. для биол. спец. ВУЗов, 3-изд., Высшая школа 1988г., 424 с..
8. Бойко В. И., П. Ядерный топливный цикл. Проблемы, решения. – Северск: Изд-во , Бюро дизайна, 2004. – 100 с.
