/
Author: Вайнсон А.А. Ярмоненко С.П.
Tags: физиотерапия радиотерапия другие терапевтические средства общая биофизика биология радиобиология
ISBN: 5-06-004265-0
Year: 2004
Text
С.П. Ярмоненко А.А. Вайнсон
РАДИОБИОЛОГИЯ
ЧЕЛОВЕКА
И ЖИВОТНЫХ
Допущено
Министерством образования
Российской Федерации
в качестве учебного пособия
для студентов медицинских и биологических
специальностей вузов
МОСКВА
«ВЫСШАЯ ШКОЛА»
2004
УДК 615.849
ББК 28.071
Я 75
Рецензенты:
Академик РАМН Л.А. Ильин, чл.-корр. РАМН А.К. Гуськова
(Государственный научный центр РФ — Институт биофизики)
Ярмоненко, С.П.
Я 75 Радиобиология человека и животных: Учеб, пособие/
С.П. Ярмоненко, А.А. Вайнсон; Под ред. С.П. Ярмонен-
ко. — М.: Высш, шк., 2004. — 549 с.: ил.
ISBN 5-06-004265-0
В книге изложены вопросы молекулярно-клеточной радиобиологии и
радиобиологии организма. Рассмотрены физические основы биологиче-
ского действия ионизирующего излучения, теория и механизмы радиобио-
логического эффекта, основные радиационные синдромы, непосредст-
венные (детерминированные) радиационные эффекты и отдаленные (сто-
хастические) последствия облучения, противолучевая защита и лечение лу-
чевой болезни, а также радиобиологические основы лечебного применения
ионизирующего излучения. Книга переработана и дополнена новыми дан-
ными (3-е издание — 1988 г.). Особое внимание уделено вопросам радиаци-
онной безопасности и научным принципам регламентации радиационного
воздействия на человека с учетом мирового опыта изучения медицинских
последствий радиационных аварий и возможностей их ослабления.
Для студентов медицинских и биологических специальностей вузов.
УДК 615.849
ББК 28.071
ISBN 5-06-004265 -0 © ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2004
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства
«Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом
без согласия издательства запрещается.
ПРЕДИСЛОВИЕ К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ
Со времени выхода в свет в издательстве «Высшая школа» пер-
вого издания рецензируемого труда, написанного профессором
С.П. Ярмоненко на основе организованного им курса лекций по
радиобиологии на медико-биологическом факультете 2-го
МОЛГМИ им. Н.И. Пирогова (ныне — Московский медицин-
ский университет им. Н.И. Пирогова), прошло более четверти
века. За это время учебник приобрел характер классического руко-
водства, потребность в котором ощущается не только студентами
вузов биологических и медицинских специальностей, но и широ-
ким кругом молодых специалистов, интересующихся действием
ионизирующих излучений на организм животных и человека.
Второе издание книги удостоено Государственной премии
СССР, а третье было издано в 1988 г. на русском и английском язы-
ках.
За 15 лет, прошедших со времени последнего, 3-го издания
учебника, в науке произошли гигантские изменения, и многие ее
достижения нашли свое отражение в радиобиологии, что само по
себе требовало написания нового учебника.
Настоятельная необходимость предпринятого переиздания,
кроме того, обусловлена важностью правильного восприятия че-
ловеком биологических эффектов ионизирующих излучений, яв-
ляющихся неизбежным спутником прогресса в наступившем сто-
летии.
При написании книги учтены последние данные литературы и
оценки авторитетных международных экспертов по всем вопро-
сам общей и молекулярной радиобиологии, изложенные в капи-
тальном четырехтомном «Отчете научного комитета по действию
атомной радиации при ООН — 2000», русский перевод и издание
которого выполнены при непосредственном участии С.П. Ярмо-
ненко.
В соответствии с духом времени меньше внимания уделено
персоналиям, чья деятельность оказалась неподтвержденной в ме-
ждународной науке, практике и жизни. Соответственно преданы
забвению многие концепции, претендовавшие на роль всеобъем-
з
лющих гипотез и даже теорий, так и не получившие признания и
не способствовавшие прогрессу радиобиологии как научной дис-
циплины, а иногда даже смещавшие ее на обочину международной
науки.
В книге сохранен свойственный профессору С.П. Ярмоненко
увлекательный стиль изложения, освещены многие остающиеся
дискуссионными вопросы радиобиологии, на некоторые из них
предлагаются собственные ответы.
Самостоятельную ценность представляет объемный термино-
логический глоссарий.
Надеемся, что новое издание учебника будет с удовлетворени-
ем встречено читателем.
Академик РАМН Л.А. Ильин
Фактологическая непогрешимость
не составляет науку, но является не-
пременной ее основой.
Н. Бор
ВВЕДЕНИЕ
За полтора десятилетия, прошедших со времени последнего,
3-го издания учебника,в России произошли грандиозные собы-
тия, в связи с чем настоящее издание принципиально отличается
от всех предыдущих. Первые три, написанные в одну эпоху (с 1974
по 1988 гг.), отличались друг от друга только добавлением новых
научных данных. Сегодня мы живем в новой стране, освобожден-
ной от догматических представлений и условностей советского пе-
риода, ограничивавших свободное изложение и восприятие объ-
ективной действительности. Это потребовало написания допол-
нительных глав, а также существенного изменения некоторых
прежних разделов книги, исключив из них не подтвержденные
жизнью доморощенные теоретические представления.
Кроме того, существенная переработка книги была обусловле-
на происшедшими в этот же период времени двумя важными для
радиобиологии событиями:
— гигантской аварией на ЧАЭС, последствия которой могут
ощущаться еще многие годы и их адекватное восприятие общест-
вом крайне актуально;
— кризисом, переживаемым радиобиологией животных и че-
ловека в последние годы, в связи с которым основное внимание
оказалось направленным на молекулярные радиобиологические
исследования.
В процессе работы над книгой более половины материала
серьезно переработано. Пять глав, в том числе главы, посвящен-
ные молекулярным механизмам радиобиологических эффектов и
комбинированному действию ионизирующих излучений с други-
ми агентами, написаны заново. В частности, рассмотрено совре-
менное состояние вопроса о молекулярных механизмах, а также
формах и динамике клеточной гибели и репарации после облуче-
ния.
К двум частям книги добавлена новая, третья часть, содержа-
щая три новые главы, в которых изложены актуальные вопросы ра-
диационной безопасности. Впервые в рамках учебника представ-
лены данные медицинских исследований последствий радиацион-
ных аварий, происшедших в мире, в том числе и на предприятиях
атомной промышленности Южного Урала. С учетом появляющих-
5
ся до настоящего времени псевдонаучных оценок радиологических
последствий чернобыльской аварии дан их объективный анализ,
опирающийся на большой отечественный научно-практический
опыт, а также на мнение авторитетных международных экспертов.
Правильное восприятие взаимосвязанности воздействий ио-
низирующих излучений и здоровья, определяющим образом зави-
сит от уровня знаний широкой медицинской общественностью
этих вопросов. На сегодняшний день радиобиологическая подго-
товка студентов в медицинских вузах, как и в системе последип-
ломного образования врача,крайне неудовлетворительна. Воспол-
нение этого пробела медицинских знаний и является основной за-
дачей данного учебника, рассчитаного не только на студентов, но
и на широкий круг медиков-специалистов, независимо от узкого
профиля их основной деятельности.
Переработке и написанию нового, 4-го издания учебника спо-
собствовали два обстоятельства: во-первых, — мое участие в ре-
дактировании и издании русской версии капитального «Отчета
НКДАР-2000», содержащего в концентрированном виде послед-
ние данные литературы и оценки авторитетных международных
экспертов по всем вопросам общей и молекулярной радиобиоло-
гии и, во-вторых, — любезное согласие моего ближайшего сотруд-
ника профессора А. А. Вайнсона помочь при переработке прежних
и в подготовке новых глав книги в порядке соавторства.
В книге дан анализ реальных последствий Чернобыльской ава-
рии, отражающий их восприятие современной мировой наукой и
не исключающий возможных корректив по мере прогресса естест-
вознания. На все экспериментальные данные приведены ссылки
(в том числе на ставшие достоянием истории работы прежних лет);
в остальных случаях использованы результаты исследований, по-
лученные с участием авторов.
Выражаю признательность за согласование и любезное содей-
ствие в написании важнейших разделов радиационной медици-
ны — лучевой болезни, иммунологических расстройств и регла-
ментации радиационных воздействий соответственно члену-кор-
респонденту РАМН Ангелине Константиновне Гуськовой, акаде-
мику РАМН Александру Александровичу Ярил ину и академику
РАМН Леониду Андреевичу Ильину.
В заключение выражаю глубокую признательность руководству
Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина
РАМН, его директору академику РАН Михаилу Ивановичу Давы-
дову за создание благоприятных условий творческой деятельно-
сти, способствовавших решению в столь «зрелом» возрасте отва-
житься на создание данного труда.
С. П. Ярмоненко
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ВОПРОСЫ ОБЩЕЙ
РАДИОБИОЛОГИИ
ПРЕДМЕТ РАДИОБИОЛОГИИ
*
ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
*
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОБИОЛОГИИ
*
ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
*
МОЛЕКУЛЯРНО-КЛЕТОЧНЫЕ РЕАКЦИИ НА ОБЛУЧЕНИЕ
*
МОДИФИКАЦИЯ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
*
КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАДИАЦИИ
*
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ДЕЙСТВИЯ
РАДИАЦИИ
Радиобиология — научная дисциплина, изучающая дей-
ствие ионизирующих излучений на биологические объекты
разной степени организации — от изолированной клетки
до организма человека. Как всякая дисциплина или пред-
мет, радиобиология, наряду со специальными, содержит
определенный круг общих вопросов, имеющих отношение к
любому аспекту изучаемой проблемы. В наибольшей степе-
ни это относится к пограничным дисциплинам, находя-
щимся на стыке наук, типичным представителем которых
и является радиобиология, в которой изучение главного фе-
номена невозможно без овладения основными сведениями из
общей и ядерной физики, физиологии, цитологии, генетики,
а в радиобиологии человека еще и медицины.
Первая часть книги посвящена изложению наиболее
важных общих вопросов предмета, без четкого знания ко-
торых невозможно освоение многопланового материала
двух последующих частей книги, содержащих данные об эф-
фектах облучения человека и животных.
К числу важнейших вопросов общей радиобиологии, рас-
смотренных в первой части книги, относится радиочувст-
вительность — кардинальное понятие предмета, физиче-
ские свойства разных видов ионизирующих излучений, опре-
деляющие их относительную биологическую эффектив-
ность и особенности взаимодействия с облучаемым
веществом; лучевые реакции клетки — основной единицы,
в которой реализуется радиобиологический эффект; спосо-
бы управления радиочувствительностью с помощью физи-
ческих и химических агентов, а также теоретические
представления о механизме биологического действия иони-
зирующих излучений.
ГЛАВА
1 РАДИОБИОЛОГИЯ КАК ПРЕДМЕТ
Радиация и жизнь
Основной парадокс радиобиологии
Различия между предметом радиобиологии и радиационными
методами исследования
Нет радиобиологии без эксперимента
Количество, мера — основные критерии научного познания
Радиобиология служит человеку
Ионизирующее излучение — удобный инструмент изучения
основ жизни. В природе не существует феномена, не подвержен-
ного модифицирующему воздействию ионизирующих излучений,
так как энергия их всегда превосходит энергию внутримолекуляр-
ных и межмолекулярных связей.
Поэтому радиобиология неминуемо в той или иной степени
отражает все области биологии. Соответственно исключительно
разнообразен набор объектов, являющихся предметом радиобио-
логических исследований, — макромолекулы, фаги, вирусы, про-
стейшие, клеточные, тканевые и органные культуры, многокле-
точные растительные и животные организмы, человек, популя-
ции, биоценозы.
Фундаментальной задачей, составляющей предмет радиобиоло-
гии, является вскрытие общих закономерностей биологического от-
вета на воздействие ионизирующих излучений, которые являются
научной основой гигиенической регламентации радиационного фак-
тора и овладения искусством управления лучевыми реакциями орга-
низма.
Задача эта невероятно трудна прежде всего потому, что для ее
решения необходимо, по меткому выражению Н.В. Тимофее-
ва-Ресовского, понять и преодолеть основной радиобиологический
парадокс, состоящий в большом несоответствии между ничтожной
величиной поглощенной энергии и крайней степенью выражен-
ности реакций биологического объекта вплоть до летального эф-
фекта.
Несмотря на существующие в природе колоссальные различия
в чувствительности к ионизирующим излучениям отдельных объ-
9
Рис. 1.1. Биологический эффект
ионизирующего излучения
вызывается крайне малой
поглощенной энергией. При общем
облучении человека массой 70 кг в
абсолютно смертельной дозе 10 Гр
поглощается всего 167 калорий
(70x10 = 700 джоулей =
= 700 : 4,18 = 167 калорий).
ектов (см. гл. 3), облучение в дозе 10 Гр1 убивает всех млекопитаю-
щих.
Что же представляет собой такая доза по суммарной энергии,
поглощенной в организме при облучении? Много это или мало?
Если условно перевести эту энергию без потерь в тепловую
энергию, то окажется, что организм человека нагреется лишь на
0,001 °C, т. е. меньше, чем от стакана выпитого горячего чая.
При рассмотрении рис. 1.1 можно видеть, что при общем облу-
чении человека массой 70 кг в этой смертельной дозе поглощается
всего 167 калорий.
Причина того, почему ничтожное количество поглощенной в
организме энергии приводит к катастрофе, составляет загадку ра-
диобиологического парадокса. При изучении многочисленных ра-
диобиологических эффектов в модельных системах на молекуляр-
ном, клеточном и организменном уровнях потребовалось созда-
ние соответствующих собственных экспериментальных методов
исследования.
Наличие фундаментальной задачи, составляющей предмет ра-
диобиологии, и собственных методов исследования определяет ее как
1 Гр (грей) — единица измерения поглощенной дозы ионизирующего излуче-
ния (см. гл. 4).
10
Рис. 1.2. Связь радиобиологии с другими дисциплинами
самостоятельную комплексную научную дисциплину, имеющую
тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей зна-
ний (рис. 1.2).
Часто, по недоразумению, к радиобиологии относят радиоизо-
топные методы исследования, используемые в радиобиологиче-
ском эксперименте так же широко, как и в других научных дисци-
плинах. Это является примером неправильного отождествления
предмета, его целей и задач с методами, способами и средствами
их изучения. Научную дисциплину определяет сам предмет иссле-
дования, тогда как методы его изучения могут быть самыми разно-
образными, но обязательно адекватными решению основной за-
дачи.
Радиобиология является ярким примером экспериментальной
дисциплины. Ни одно утверждение в радиобиологии не может
быть серьезно воспринято, если оно не подтверждено экспери-
ментально. При этом наиболее ценны экспериментальные ре-
зультаты, позволяющие охарактеризовать изучаемое явление ко-
личественно.
Специфические, присущие только радиационному агенту
свойства, определяемые его взаимодействием с любыми молеку-
лами и структурами клетки, обусловливают другую особенность
радиобиологи — необходимость проведения исследования на всех
уровнях биологической организации — от молекулярного до популяци-
онного. Неизбежные при этом экстраполяции результатов экспе-
риментов на высшие уровни определяют и следующую особен-
ность радиобиологии, связанную с большой практической значимо-
стью получаемых экспериментальным путем выводов и их ответ-
11
ственностью, например, при оценке стохастических, в частности,
радиационно-генетических последствий облучения.
Наконец, еще одна особенность радиобиологии, определяемая
ее прикладными аспектами, — овладение способами искусственно-
го управления лучевыми реакциями биологических объектов и чело-
века с помощью различных модифицирующих средств.
Указанные особенности радиобиологии определяют специфи-
ку подходов к ее изучению как предмету. Она состоит в том, чтобы
из множества проявлений лучевого воздействия, обусловленного
самой физической природой радиационного агента, каждый раз
стремится выделить ведущие, критические звенья, ответственные
за исход рассматриваемой реакции. Кроме того, важной чертой ра-
диобиологических методов исследования является количествен-
ное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его до-
зой излучения, ее распределением во времени и в объеме реаги-
рующего объекта.
В поле зрения радиобиолога должны находиться и опосредо-
ванные эффекты, особенно при анализе сложных интегральных
лучевых реакций организма, где их влияние проявляется наиболее
значительно, в связи с неизбежным вовлечением регулирующих
систем и нейрогуморальных механизмов гомеостаза.
За сто с лишним лет, прошедших со времени открытия ионизи-
рующих излучений, накоплен огромный фактический материал
прежде всего феноменологического плана, обобщение которого
позволило построить стройную систему представлений, допус-
кающих их широкую экспериментальную проверку.
Уже сегодня радиобиология прочно служит человеку в самых
разнообразных областях народного хозяйства. В сельском хозяй-
стве используют предпосевное облучение семян как метод повы-
шения всхожести и урожайности многих культур. Методы радиа-
ционной генетики применяют для получения и закрепления в по-
томстве полезных признаков, возникающих в результате мутаци-
онных изменений. Таким путем удается создавать новые ценные
сорта растений, а также уничтожать вредителей направленной од-
нополой стерилизацией насекомых. На основе радиобиологиче-
ских предпосылок осуществляется лучевая стерилизация овощей,
консервов, многих медицинских средств и реактивов.
Таким образом, современная радиобиология представляет не
только самостоятельную комплексную дисциплину, но имеет чет-
ко выделенные отдельные направления, главные из которых пере-
числены на рис. 1.3. Такие направления, как противолучевая за-
щита и терапия радиационных поражений, космическая радио-
12
Рис. 1.3. Структура радиобиологии как комплексной дисциплины
биология, радиационная иммунология, радиационная гигиена и
радиобиология опухолей могут быть объединены в одну крупную
ветвь радиобиологии — медицинскую радиобиологию.
Каждое из перечисленных направлений имеет свои конкрет-
ные задачи, достаточно полно определенные их названием, для ре-
шения которых, однако, применяют специальные радиобиологи-
ческие количественные методы исследования, что и объединяет их
в одну общую дисциплину.
В последнее десятилетие активное развитие получило исследо-
вание биологического действия электромагнитных излучений не-
ионизирующего диапазона в связи с бурным развитием радио- и
электронной промышленности, сопровождающимся увеличени-
ем числа различных приборов и установок исследовательского,
промышленного и бытового профилей. Это обстоятельство поро-
дило новую научную дисциплину, также тяготеющую к радиобио-
логии — радиобиологию неионизирующих излучений.
Таковы предмет и структура современной радиобиологии, от-
носительно короткая история которой заслуживает самостоятель-
ного описания. Последующая глава, освещая наиболее ответствен-
ные вехи на этом пути, подтверждает мудрое изречение Н.Г. Чер-
нышевского: «Без истории предмета нет теории предмета».
13
РЕЗЮМЕ
• Радиобиология является комплексной, строго экспери-
ментальной научной дисциплиной, задача которой — вскры-
тие закономерностей биологического ответа на воздействие
ионизирующих излучений.
• Фундаментальную задачу радиобиологии составляет не-
обходимость объяснения основного радиобиологического па-
радокса — несоответствия между ничтожным количеством по-
глощенной энергии и экстремальными реакциями (вплоть до
летального эффекта) облучаемых биологических объектов.
При решении этой задачи радиобиология опирается на теоре-
тические представления о молекулярных механизмах действия
ионизирующих излучений и результаты экспериментальных
исследований, проведенных с использованием собственных
радиобиологических методов.
ГЛАВА
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Открытие рентгеновских лучей и радиоактивности
Атомная заря и расплата за раскрытие ее секретов
Описательный этап в изучении биологического действия иони-
зирующих излучений
Становление количественной радиобиологии как самостоя-
тельной науки
Радиобиология сегодня
Возникновение радиобиологии обязано трем великим откры-
тиям, увенчавшим окончание девятнадцатого века:
1895 г. — открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лу-
чей;
1896 г. — открытие Антуаном Анри Беккерелем естественной
радиоактивности урана;
1898 г. — выделением Марией Кюри-Склодовской и Пьером
Кюри двух элементов с высочайшим уровнем радиоактивно-
сти — полония (в июле) и радия (в декабре).
Дорого оплатило человечество открытие тайн природы. По-
гибли почти все первые исследователи, в том числе многие меди-
ки, не знавшие «коварства» нового агента и работавшие с ним без
каких-либо предосторожностей. В середине XX в. мир стал свиде-
телем массовой одномоментной гибели сотен тысяч людей в
результате атомной бомбардировки японских городов.
Напротив госпиталя Святого Георга в Гамбурге, где много лет
трудился один из пионеров медицинской рентгенологии Г. Аль-
берс-Шонберг, погибший от лучевого рака, 4 апреля 1936 г. со-
стоялось открытие памятника, воздвигнутого германским общест-
вом рентгенологов. На передней стороне колонны, увенчанной
лавровым венком, высечена надпись: «Памятник посвящается
рентгенологам и радиологам всех наций, врачам, физикам, хими-
кам, техникам, лаборантам и сестрам, пожертвовавшим своей
жизнью в борьбе против болезней их ближних. Они героически
прокладывали путь для эффективного и безопасного применения
рентгеновских лучей и радия в медицине. Слава их бессмертна».
На памятнике в алфавитном порядке высечены имена 159 че-
ловек, умерших к тому времени от мучительных радиационных
15
поражений, вызванных рентгеновскими лучами и радием. Годом
спустя их биографии и портреты были помещены в специально
выпущенной «Книге почета». Позже мемориал был дополнен че-
тырьмя стеллами с именами жертв радиации, а в 1959 г. «Книга по-
чета», вышедшая вторым изданием, содержала уже 360 фамилий, в
том числе 13 наших соотечественников.
Знаменательно, однако, что за период с 1936 по 1959 гг., когда
развитие ядерных исследований приобрело гигантские масштабы,
а в сферу воздействия ионизирующих излучений было вовлечено
гораздо больше людей, чем раньше, число жертв науки увеличи-
лось лишь вдвое, причем многие из них погибли вследствие луче-
вых поражений, возникших еще в ранние годы, предшествовав-
шие этому периоду. Причины такого диссонанса между резким
повышением контактов человека с ионизирующими излучениями
и значительным снижением частоты лучевых поражения опреде-
лялись успехами появившейся новой области знаний — радиобио-
логии.
Как ни парадоксально, бурному развитию радиобиологии в
значительной степени способствовала угроза ядерной катастро-
фы, которая с 40-х годов прошлого века нависла над миром. Атом-
ная бомбардировка Японии, повышение радиационного фона
планеты, а также аварии на атомных производствах выдвинули
глобальную проблему обеспечения радиационной безопасности, а
также необходимости разработки способов противолучевой защи-
ты и лечения радиационных поражений, что, в свою очередь, по-
требовало глубокого изучения механизмов биологического дейст-
вия ионизирующих излучений.
2.1. Открытие рентгеновских лучей
и радиоактивности
В 1995 г. научная общественность отмечала столетие открытия
рентгеновских лучей, в связи с чем в Вюрцбурге состоялся Между-
народный радиологический конгресс, участие в работе которого
представило возможность обоим авторам данной книги в полной
мере ощутить величие этого открытия, озарившего прогресс миро-
вой науки XX столетия, по праву названного атомным веком.
Вильгельму Конраду Рентгену ко времени его великого откры-
тия было 50 лет. Он руководил физическим институтом и кафед-
рой физики Вюрцбургского университета. 8 ноября 1895 г. он как
обычно поздно вечером закончил эксперименты в лаборатории,
16
Вильгельм Конрад Рентген
помещавшейся этажом ниже его квартиры. Погасив свет в комна-
те, заметил в темноте зеленоватое свечение, исходившее от флюо-
ресцирующего экрана, покрытого платиносинеродистым барием.
Оказалось, что находившаяся поблизости разрядная трубка, за-
крытая светонепроницаемым чехлом, была под высоким напряже-
нием, которое Рентген забыл выключить перед уходом. Свечение
немедленно прекращалось, как только отключался ток, и тотчас
возникало при его включении. Катодные, как и видимые, лучи не
проникали сквозь черный чехол, и Рентгена осенила гениальная
догадка о том, что при прохождении тока через трубку в ней возни-
кает новое излучение, которое он и назвал Х-лучами.
В эту ночь ученый не вернулся домой. Следующие пятьдесят
суток были также поглощены напряженной работой. Венцом са-
мозабвенного творчества была рукопись с семнадцатью тезисами о
свойствах открытого излучения, которую Рентген вручил 28 декаб-
ря 1895 г. председателю вюрцбургского физико-медицинского об-
щества вместе с первым рентгеновским снимком своей руки. В
первых числах января 1896 г. брошюра Рентгена вышла из печати,
а в последующие несколько недель появились ее переводы на
русском, английском, французском и итальянском языках. Рус-
ский перевод под названием «Новый род лучей» был выпущен в
Петербурге и содержал фотографию первой рентгенограммы, про-
изведенной уже в России 16 января 1896 г.
6 января 1896 г. известие об открытии Рентгеном всепрони-
цающих лучей было передано Лондонским телеграфом по всему
17
миру, и все культурное человечество восприняло эту весть как ве-
личайшую сенсацию.
23 января состоялось триумфальное выступление Рентгена на
заседании общества естествоиспытателей в Вюрцбурге, где уче-
ный под овации аудитории произвел снимок руки председателя
общества известного анатома Рудольфа Альберта ван Кёликера.
Маститый ученый заявил, что за 48 лет работы общества он еще не
присутствовал при столь значительном научном событии. Он про-
возгласил троекратное «ура» в честь великого Рентгена и предло-
жил назвать новые лучи именем их первооткрывателя.
А в середине марта Рентген направил в печать материалы даль-
нейшего изучения свойств открытого излучения. Тезис под номе-
ром 18 особенно важен для будущей радиобиологии — в нем гово-
рилось о том, что это излучение является ионизирующим, вызы-
вающим разряд заряженных объектов (за счет ионизации газа во-
круг них).
10 декабря 1901 г. В.К. Рентгену присуждена первая из Нобе-
левских премий по физике.
О значении самого открытия и глубине произведенного Рент-
геном экспериментального анализа нового вида излучения напи-
саны тома. Все это, однако, можно легко подытожить словами на-
шего замечательного соотечественника академика А.Ф. Иоффе,
проработавшего около трех лет ассистентом Рентгена. В воспоми-
наниях, посвященных 50-летию открытия рентгеновских лучей,
Иоффе писал: «Из того, что Рентген опубликовал в первых трех со-
общениях, не может быть изменено ни одного слова. Многие ты-
сячи исследований не могли прибавить ни йоты к тому, что сделал
сам Рентген в самых элементарных условиях с помощью самых
элементарных приборов».
Небезынтересна реакция обывателей и прессы того времени на сенсационное
открытие. Некоторые нью-йоркские газеты, например, писали о том, что новые
лучи могут фотографировать души умерших. Одна из них сообщала, что в коллед-
же врачей и хирургов рентгеновские лучи применяются для проецирования ана-
томических картин прямо в мозг студентам, что дает им более прочные знания,
чем обычные методы учебы. Член законодательного собрания штата Нью-Джерси
Рид 19 февраля 1896 г. внес законопроект, запрещающий из морально-этических
соображений использование рентгеновских лучей в театральных биноклях. Раз-
личные фирмы стали рекламировать не пропускающее рентгеновские лучи ниж-
нее белье, а также шляпы, предохраняющие от чтения чужих мыслей. По свиде-
тельству современников, викторианские девушки краснели лишь при одном упо-
минании о рентгеновских лучах, ибо каждая из них могла уподобиться леди Годн-
ее, беспомощной под взглядом любопытных, вооруженных биноклями с
рентгеновскими лучами. Появлялись политические памфлеты и карикатуры,
вплоть до рентгеновского снимка Совета министров великой державы. Раздра-
18
женная ситуацией лондонская «Пэлл Мэлл газетт» писала в передовой: «Нам на-
доели рентгеновские лучи. Самое лучшее, что нужно сделать цивилизованным
странам, — это объединиться и сжечь все рентгеновские лучи, казнить всех изо-
бретателей, утопить оборудование всего мира в океане. Пусть рыбы разглядывают
свои кости, если им угодно, но не мы». Венский полицмейстер издал следующее
постановление: «Ввиду того, что о свойствах новых лучей не поступало официаль-
ных сведений, строго воспрещается производить какие бы то ни было опыты
впредь до выяснения вопроса и особого распоряжения полиции».
Возникшая шумиха и небылицы только подогревали интерес к великому от-
крытию.
Рентгеновские лучи немедленно стали не только предметом
глубокого изучения во всем мире, но и быстро нашли практиче-
ское применение. Кроме того, они послужили непосредственным
импульсом к обнаружению нового явления — естественной радио-
активности, которое потрясло мир менее чем через полгода после
открытия рентгеновских лучей.
Это были невидимые глазу человека первые проблески атомной
зари. Они появились на фотографической пластинке, оставленной
в столе профессором физики Парижского музея естественной исто-
рии Анри Беккерелем. Он — признанный авторитет в области лю-
минесценции — в это время, как и многие, заинтересовавшись
природой всепроницающих рентгеновских лучей, проверял связь
между возникновением рентгеновских лучей и люминесценцией
стеклянной стенки разрядной трубки. В разрядных трубках не
было антикатода, как в современных рентгеновских трубках, и ис-
точником рентгеновских лучей служило стекло, которое при этом
еще и люминесцировало. Беккерель помещал на фотопластинку,
завернутую в черную бумагу, различные люминесцирующие мате-
риалы, выставлял их на солнечный свет, а затем, проявляя пла-
стинку, пытался обнаружить почернение, вызванное Х-лучами,
предположительно сопровождавшими процесс люминесценции.
Искомая связь была вскоре «обнаружена», когда действию солнеч-
ного света подвергли соли урана. Беккерель повторил «удачный»
эксперимент, но в тот день погода оказалась пасмурной, и после
короткой экспозиции фотопластинка с лежащими на ней солями
урана была убрана в стол. Через два дня — 1 марта 1896 г. — снова
выдался солнечный день, и можно было воспроизвести опыт. Дви-
жимый интуицией, ученый решил проявить пластинку, не выстав-
ляя ее на солнце, и, к удивлению, обнаружил на ней точные очер-
тания креста, выложенного из солей урана. Так было установлено,
что уран произвольно, независимо от солнечного освещения, ис-
пускает невидимые глазу «урановые лучи».
19
Итак, оба великих открытия в значительной мере обязаны сча-
стливым случайностям. Но напомним мудрые слова Луи Пастера о
том, что «случай помогает лишь умам, подготовленным к открыти-
ям». Действительно, еще задолго до Рентгена и одновременно с
ним многие исследователи работали с катодными лучами,- наблю-
дали даже свечение экрана, и, следовательно, «видели» рентгенов-
ское излучение, но «увидел» (распознал) его только Рентген и не
потому, что ему повезло, а потому, что «...при великих открытиях
на случай наталкиваются те, кто его заслуживают» (Д. Лагранж).
Десятки исследователей после открытия Рентгена были заняты
поиском новых таинственных излучений. Но лишь пытливому и
талантливому Анри Беккерелю удалось отличить от индуцируемой
солнечным светом люминесценции самопроизвольное испуска-
ние ураном проникающего излучения.
Уже в 1897 г. Э. Резерфорд разделил излучение урана на две со-
ставляющие, названные им а- и 0-лучами. Он же показал, что
а-частицы идентичны ядрам гелия, и высказал мысль, что 0-час-
тицы представляют собой электроны с атомных орбит, что позднее
было подтверждено Дж. Томсоном в другого рода экспериментах.
Изучение радиоактивности стало предметом страстных иска-
ний вначале великого польского ученого Марии Склодов-
ской-Кюри, а вскоре и ее мужа, блестящего французского иссле-
дователя Пьера Кюри. Одиннадцать лет их любви и совместного
творчества — одна из замечательных и красивейших страниц ис-
тории науки — ознаменованы открытием и выделением в 1898 г.
нескольких радиоактивных (испускающих излучение) элементов,
в том числе двух наиболее активных — полония и радия1.
Андрей Белый в поэме «Первое свидание» воспел эти гениаль-
ные искания словами: «Мир рвался в опытах Кюри».
Величие открытия радиоактивности было ознаменовано при-
суждением в 1903 г. Нобелевской премии по физике Анри Бекке-
релю, Пьеру и Марии Кюри.
Заканчивая краткое изложение истории зарождения физиче-
ских предпосылок радиобиологии, отсылаем любознательного чи-
тателя к специальной историко-мемуарной литературе, в первую
очередь, к повествованиям о чете Кюри. В заключение напомним
лишь о фактах, иллюстрирующих неоценимый вклад семьи Кюри
в развитие ядерных исследований. В 1911 г. Мария Кюри за работы
1 Полоний назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши. Ра-
дий означает «лучистый».
20
Мария Склодовская-Кюри
Пьер Кюри
в области радиационной химии была награждена второй Нобелев-
ской премией. Всего Марии Кюри присуждено 10 премий и 16 ме-
далей; она была избрана почетным членом 106 различных научных
учреждений, академий и обществ.
В 1935 г., спустя 32 года после открытий родителей, Нобелев-
скую премию получает их дочь Ирен вместе с мужем Фредериком
Ирен Кюри
Фредерик Жолио-Кюри
21
Жолио-Кюри за исследования в той же области, теперь — за от-
крытие искусственной радиоактивности. История не знает приме-
ра, чтобы две супружеские пары в двух последовательных поколе-
ниях внесли столь большой вклад в науку, как семья Кюри. Три
Нобелевские премии и четыре ее лауреата в одной семье, один из
них — дважды.
Чрезвычайный интерес и уважение человечества к двум поко-
лениям Кюри-ученых объясняется еще и их высокими моральны-
ми качествами. Преданность науке привела к тому, что жизнь их
была в прямом смысле принесена ей в жертву. Мария, Ирен и Фре-
дерик умерли вследствие облучения, и есть все основания пола-
гать, что лишь трагическая ранняя гибель Пьера избавила его от
той же участи.
2.2. Три этапа развития радиобиологии
Изучение биологического действия ионизирующих излучений
началось тотчас после открытия рентгеновских лучей. Среди са-
мых ранних работ известны классические исследования нашего
соотечественника И.Ф. Тарханова, установившего уже в 1896 г. в
опытах на лягушках и насекомых реакции на облучение во многих
системах организма, на основании чего им было высказано сбыв-
шееся вскоре предположение о возможности лечебного примене-
ния рентгеновского излучения. Достаточно указать, что лишь за
год после этого было издано 49 книг и более 1000 статей об исполь-
зовании Х-лучей в медицине.
В 1896 г. в печати появились сообщения о поражениях кожи
(эритемах, дерматитах, выпадении волос) у лиц, подвергавшихся
частым и продолжительным воздействиям Х-лучей при проведе-
нии экспериментов, а в 1902 г. Г. Фрибен описал первый случай
лучевого рака кожи1. Первые сведения о лучевом раке, по-видимо-
му, восходят к XVI в. Известные медики средневековья Т. Пара-
цельс и Г. Агрикола писали о загадочной болезни легких у горня-
ков, работавших в рудниках, где впоследствии стали добывать уран
1 В 1914 г. М. Фейгина собрала из литературных источников данные о 114 слу-
чаях рентгеновского рака, обнаруженных у медицинского и технического персона-
ла. Как отмечал в 1933 г. М.И. Неменов — один из основоположников отечествен-
ной рентгено-радиологии, на съездах рентгенологов в то время еще можно было
встретить ветеранов рентгенологии без пальцев и даже без всей конечности из-за
ампутации по поводу рентгеновского рака. К 1959 г. было известно уже о 359 спе-
циалистах-радиологах, погибших от лучевого рака кожи или лейкозов.
22
и радий. В 1879 г., еще до «эры радиации», в этом заболевании рас-
познали рак легких.
О действии радия на кожу впервые сообщили немецкие ученые
Г. Вальхов и Г. Гизель. Пьер Кюри тотчас проверил это на собст-
венном предплечье, и, к его великой радости, участок кожи, со-
прикасавшийся с радием, оказался пораженным. 3 июня 1901 г.
Анри Беккерель на протяжении 6 ч носил в кармане жилета ампулу
с радием и тоже получил ожог. Об этом через 10 дней, когда появи-
лась эритема (а потом и долго не заживающая язва), он, одновре-
менно обуреваемый восторгом и яростью, прибежав к Марии
Кюри, воскликнул: «Радий я люблю, но сердит на него».
Эти наблюдения, а также эксперименты на животных, свиде-
тельствовавшие о повреждающем действии радия на ткани, позво-
лили Пьеру Кюри вместе с известными учеными-медиками К. Бу-
шаром и В. Бальтазаром прийти к выводу о лечебном действии ра-
дия на волчанку и некоторые формы рака, что и послужило нача-
лом кюритерапии.
Первой в истории попыткой рентгенотерапии рака была, оче-
видно, работа доктора Дж. Джиллмана из Чикаго. К нему обратил-
ся за помощью физик Е. Груббе, который, узнав об открытии
Рентгена, начал опыты с Х-лучами и получил сильные ожоги руки.
Джиллмана поразил эффект Х-лучей, и он отправил на облучение
к Груббе больную с неоперабельным раком молочной железы.
Этот сеанс лечения был проведен 29 января 1896 г., т. е. спустя не-
делю после доклада Рентгена. По-видимому, был получен хоро-
ший эффект, так как Груббе продолжил практику рентгенотера-
пии после медицинской подготовки. Позже и он стал жертвой лу-
чевого рака.
Долгое время объектом наблюдения оставалась главным обра-
зом кожа, так как никто не предполагал, что рентгеновские лучи
могут влиять на глубоко расположенные ткани. В 1903 г. Г. Аль-
берс-Шонберг обнаружил дегенеративные изменения семяродно-
го эпителия и азооспермию у морских свинок и кроликов, а в
1905 г. Л. Хальберштадтер наблюдал атрофию яичников у облу-
ченных животных. Вскоре П. Броун и Дж. Осгоуд выявили азоос-
пермию, явившуюся причиной бесплодия у людей — молодых ра-
бочих завода рентгеновских трубок, проработавших на производ-
стве более трех лет.
В 1903 г., в значительной степени под влиянием эксперимен-
тов отечественного исследователя Е.С. Лондона, обнаружившего
летальное действие лучей радия на мышей, Г. Хейнеке применил с
этой же целью рентгеновские лучи. Ему также удалось вызвать ги-
23
бель животных, причем он впервые описал лучевую анемию и лей-
копению, а также обратил внимание на поражение органов крове-
творения, видимое даже невооруженным глазом (атрофия селе-
зенки). Детально описанные Г. Хейнеке типичные изменения кле-
ток костного мозга и лимфатических узлов при гистологическом
исследовании являются классическими и по сей день.
В многочисленных экспериментах Е.С. Лондон продемонст-
рировал действие излучения радия на многие системы организма,
в частности, на кроветворение. В 1911 г. вышла его книга «Радий в
биологии и медицине». Она считается первой в мире монографией
по радиобиологии (опубликована на немецком языке).
Приведенные примеры, а также многочисленные наблюдения
других исследователей ознаменовали собой первый этап развития
радиобиологии, характеризующийся работами описательного ха-
рактера. Но уже в этом периоде установлены два кардинальных
факта — вызываемое ионизирующим излучением торможение
клеточного деления [Корнике М., 1905] и различие в степени вы-
раженности реакции разных клеток на облучение. Впервые это
было отмечено в 1903 г. французскими исследователями И. Берго-
нье и Л. Трибондо, которые в ходе тщательных экспериментов об-
наружили разную чувствительность к излучению отдельных видов
семяродных клеток. Наиболее чувствительными оказались спер-
матогонии, наиболее резистентными — сперматозоиды, облуче-
ние которых вообще не вызывало морфологических изменений.
На основании этих экспериментов были сформулированы поло-
жения, вошедшие в историю под названием «закона» или «правила»
Бергонье и Трибондо. Суть этих положений состоит в том, что клет-
ки тем более радиочувствительны, чем большая у них способность к
размножению и чем менее определенно выражены их морфология и
функция, т. е. чем они менее дифференцированы. Несмотря на ряд
исключений, феноменологически это правило не утратило своего
значения и по сей день.
Таким образом, уже в самый ранний период первоначальных
наблюдений была подмечена наиболее важная особенность иони-
зирующих излучений — избирательность их действия, определяе-
мая не столько характеристиками самих лучей, сколько свойства-
ми тех или иных клеток, т. е. их чувствительностью к излуче-
нию — радиочувствительностью.
Оченьрано — в 1903 г. — была выявлена роль пораженияядра в
клеточной радиочувствительности. Заключение об этом сделал
Д. Бун, отметивший примерно одинаково выраженное губитель-
ное действие на развивающихся головастиков облучения сперма-
24
тозоидов лягушек или неоплодотворенных икринок, резко отли-
чающихся между собой по количеству цитоплазмы. Он пришел к
заключению, что облучение последней не играет особой роли в
развитии зародыша.
Уже в первое десятилетие XX в. началось изучение действия
ионизирующей радиации на эмбриогенез, позволившее обнару-
жить возникновение различных аномалий при облучении на опре-
деленных стадиях развития эмбриона.
Ранние наблюдения, хотя и имели фундаментальное значение,
носили описательный, качественный характер; отсутствовала ка-
кая-либо теория, объясняющая механизм действия ионизирую-
щих излучений на живые объекты.
Второй этап развития радиобиологии связан со становлением ее
количественных принципов, имевших целью связать биологиче-
ский эффект с дозой излучения. Этот этап характеризовался мас-
совыми экспериментами на различных популяциях клеток и жи-
вотных с количественным отражением результатов на кривых до-
за-эффект. Такой способ анализа результатов радиобиологиче-
ских экспериментов остается ведущим и в настоящее время (см.
гл. 7), хотя интерпретация самих кривых изменилась.
Одна из знаменательных дат этапа — 1922 г., когда Ф. Дессау-
эром была предложена первая теория, объяснявшая радиобиоло-
гический эффект дискретностью событий — актов ионизации в
чувствительном объеме. Эти взгляды в последующем получили
развитие в виде принципа попаданий и теории мишеней в трудах
Н.В. Тимофеева-Ресовского; К. Циммера, Д. Ли и других исследо-
вателей (см. гл. 11).
Одно из эпохальных событий радиобиологии — обнаружение
действия ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки,
сопровождающегося наследственной передачей вновь приобре-
тенных признаков. Впервые эти наблюдения были сделаны наши-
ми соотечественниками Г.А. Надсоном и Г.Ф. Филипповым (1925)
в результате опытов на дрожжах. К сожалению, это крупнейшее
открытие не получило тогда должной оценки, и лишь после работ
Г. Мюллера, описавшего в 1927 г. мутагенный эффект ионизирую-
щих излучений в экспериментах на дрозофиле, радиационно-ге-
нетические исследования стали проводиться во всем мире и во
многом послужили становлению количественной радиобиологии.
1927 г. был обозначен еще одной практически важной вехой —
результаты экспериментов на яичках кроликов позволили К. Риго
предложить использование фракционирования дозы при лучевой
25
терапии, что уже в 1928 г. и было реализовано А. Кутаром при лече-
нии опухолей человека.
В 1928 г. была введена единица экспозиционной дозы — рент-
ген, принятая затем как международная единица для рентгенов-
ского и гамма-излучения.
Мощным импульсом к бурному развитию радиобиологии яви-
лись успехи ядерной физики, обозначившие перспективу овладе-
ния энергией атомного ядра. В 1932 г. Чедвик сообщил об откры-
тии нейтрона. В том же году Э. Лоуренс изобрел циклотрон, а уже в
1933 г. им, совместно с М. Ливингстоном, был построен первый
циклотрон, генерировавший дейтроны с энергией 5 МэВ.
Особо интенсивное развитие радиобиологических исследова-
ний началось в 1946 г. после взрывов атомных бомб — 16 июля в
США в штате Нью-Мексико, 6 августа в Хиросиме и 11 августа в
Нагасаки. Это выдвинуло в качестве неотложной задачи разработ-
ку способов противолучевой защиты и лечения радиационных по-
ражений, что, в свою очередь, потребовало детального изучения
механизмов радиобиологического эффекта и патогенеза лучевой
болезни. Поэтому в 40—50-е годы в Европе и на других континен-
тах начали создаваться крупные исследовательские центры. Зачас-
тую их организовывали при институтах и госпиталях, как правило,
онкологических, ибо стало очевидным, что лучевая терапия рака
может быть научно обоснована лишь в результате тщательного
изучения радиочувствительности опухолей и нормальных тканей,
а также овладения методами ее направленного изменения.
В Советском Союзе крупные исследовательские центры были
созданы в Москве, Ленинграде, Киеве, Минске, Алма-Ате, Ново-
сибирске и Свердловске. В разработке российской радиобиологии
приняли участие многие ученые разных специальностей и круп-
ные организаторы науки. Значительный вклад в ее развитие вне-
сли ушедшие от нас С.Н. Александров, С.Н. Ардашников,
Г.Д. Байсоголов, Э.Я. Граевский, П. Д. Горизонтов, Т.К. Джара-
кян, Ю.Я. Керкис, А.М. Кузин, А.В. Лебединский, Н.В. Лучник,
Ю.И. Москалев, М.И. Неменов, В. П. Парибок, Е.Ф. Романцев,
Г.С. Стрелин, Б.Н. Тарусов, Н.В. Тимофеев-Ресовский, Г.М. Франк,
М.И. Шальнов, Н.И. Шапиро. Достижениями в области количест-
венной радиобиологии отечественная наука прежде всего обязана
Н.В. Тимофееву-Ресовскому и его выдающимся ученикам и по-
следователям В.И. Корогодину и Н.В. Лучнику. Выдающиеся дос-
тижения в фундаментальной и прикладной радиобиологии, а так-
же в радиационной медицине связаны с именами активно работаю-
26
щихА.К. Гуськовой, Л.А. Ильина, А.Г. Коноплянникова, Р.В. Пет-
рова, К.П. Хансона, Л.Х. Эйдуса.
За рубежом радиобиологические исследования наиболее ин-
тенсивно проводятся в сотнях оснащенных по последнему слову
техники лабораториях США, Великобритании, Японии, Герма-
нии, Франции, Голландии, Канады, Швеции, Дании.
Широкое международное обсуждение вопросов радиобиоло-
гии впервые было проведено в 1955 г. на Женевской конференции
по мирному использованию атомной энергии. К этому времени
общепланетарной проблемой стало резкое увеличение радиацион-
ного фона в атмосфере Земли вследствие массовых испытаний
ядерного оружия. Вскоре перед радиобиологами возникла необхо-
димость организации космических исследований.
Таким образом, с середины 40-х годов прошлого столетия на-
чался третий этап в развитии количественной радиобиологии, про-
должающийся и по настоящее время.
Радиобиология сегодня — самостоятельная наука с четко вы-
деленными отдельными направлениями (см. рис. 1.2.), каждое из
которых имеет свой собственный предмет исследований и соот-
ветственно свои специфические задачи. Учитывая профиль дан-
ного учебника, нас больше всего интересует комплекс направле-
ний, объединяемых в большую ветвь — медицинскую радиобиоло-
гию.
Говоря о сегодняшнем состоянии радиобиологии, необходимо
отметить, что именно медицинская радиобиология претерпела
наибольшие изменения в связи с перемещением интересов в об-
ласть изучения низких уровней радиационного воздействия и их
влияния на здоровье человека. В значительной степени это связа-
но с крупной аварией на Чернобыльской атомной электростан-
ции, происшедшей 26 апреля 1986 г., в результате которой десятки
миллионов людей оказались подвергнутыми длительному воздей-
ствию низких уровней внешнего и внутреннего облучения, а также
вследствие радиоактивного загрязнения больших территорий Со-
ветского Союза и в меньшей степени других стран Северного по-
лушария.
Были и другие причины перемещения интересов с изучения
эффектов больших, заведомо поражающих доз излучения на ис-
следования биологического действия низких уровней радиации,
выдвинув на передний план ставшую особенно актуальной про-
блему радиационной безопасности. Детально эти вопросы, вокруг
которых и по сей день продолжается оживленная дискуссия, рас-
смотрены в специальных главах третьей части книги. Здесь лишь
27
отметим, что дальнейший прогресс в данном направлении связан с
активно развивающимися в настоящее время молекулярно-радио-
биологическими исследованиями, результаты которых, несо-
мненно, будут способствовать прогрессу радиобиологии в целом.
В наступившем столетии, как и во второй половине XX в., к
проблемам биологии вообще, а следовательно, и к радиобиологии,
привлечено внимание большого числа естествоиспытателей смеж-
ных специальностей, прежде всего физиков и химиков. Поэтому
современный этап развития радиобиологии можно охарактеризо-
вать как накопление разносторонней информации о реакциях на
облучение отдельных биологических объектов, систем и популя-
ций разной степени сложности. Развитие ядерной физики делает
возможным изучение таких взаимодействий с помощью новых ви-
дов ионизирующих излучений, в том числе тяжелых ядерных час-
тиц высоких энергий. Это, в свою очередь, создает не только пер-
спективу решения традиционных задач радиобиологии, но позво-
ляет надеяться и на ее роль в изучении фундаментальных законо-
мерностей биологической формы существования и развития
материи.
РЕЗЮМЕ
• Анализ основных вех становления и развития радиобио-
логии за более чем столетний период с конца XIX в. и до начала
XXI в. позволяет выделить три ее временных этапа.
Первый — с 1895 по 1922 гг. — описательный этап, связан-
ный с накоплением данных и первыми попытками осмысле-
ния биологических реакций на облучение.
Второй — с 1922 по 1945 гг. — становление фундаменталь-
ных принципов количественной радиобиологии, характери-
зующийся стремлением связи эффектов с величиной погло-
щенной дозы.
Третий — с 1945 г. по настоящее время — дальнейшее раз-
витие количественной радиобиологии на всех уровнях биоло-
гической организации — от молекулярного до организма чело-
века, что необходимо для ее использования в медицинской
п ракти ке.
ЗГЛABA
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Диапазон различий радиочувствительности в природе
Радиочувствительность — синоним радиопоражаемости и аль-
тернатива радиоустойчивости (радиорезистентности)
Необходимость адекватных критериев оценки сравнительной
радиочувствительности
Вскоре после открытия биологического действия ионизирую-
щих излучений было установлено, что любой живой объект может
быть убит этим агентом. Однако дозы излучения, приводящие раз-
личные объекты к гибели, отличаются друг от друга в очень широ-
ких пределах, даже на несколько порядков. Иными словами, каж-
дому биологическому объекту (клеткам, тканям, органам или орга-
низмам) свойственна своя мера восприимчивости к воздействию
ионизирующей радиации, своя видовая радиочувствительность.
В качестве примера крайне низкой радиочувствительности
можно привести бактерии, обнаруженные в канале ядерного реак-
тора, которые, испытывая гигантские дозы ионизирующего излу-
чения, не только не погибли, но и размножаются, в связи с чем они
названы Micrococcus radiodurens — радиорезистентный микро-
кокк.
Степень радиочувствительности сильно варьирует и в пределах
одного вида — индивидуальная радиочувствительность, к тому же
зависит от возраста и пола. Кроме того, даже в одном организме
различные клетки и ткани значительно различаются по радиочув-
ствительности. Наряду с радиочувствительными (кроветворная
система, эпителий слизистой тонкого кишечника) имеются ра-
диоустойчивые ткани (мышечная, нервная, костная), которые
принято называтьрадиорезистентными. Впрочем, деление тканей
на радиочувствительные и радиорезистентные весьма условно, так
как зависит от избранного критерия. Далее будет неоднократно
показано (см. гл. 12, 15, 17, 19), что ткани, относящиеся к радио-
резистентным по непосредственным лучевым реакциям, оказы-
ваются весьма радиочувствительными по отдаленным последст-
виям.
Проблема радиочувствительности занимает центральное
место в радиобиологии, ибо познание природы естественной ра-
диочувствительности и механизмов ее регуляции имеет не только
29
большое теоретическое значение в общебиологическом плане, но
и практически важно, имея в виду возможность искусственного
управления лучевыми реакциями тканей — их ослабление, в слу-
чае противолучевой защиты организма, или усиление — при облу-
чении злокачественных опухолей. Поэтому интерпретация самого
термина «радиочувствительность» должна быть предельно четкой.
К сожалению, в литературе часто встречаются противоречивые
толкования этого понятия, что приводит к терминологической пу-
танице и является причиной неправильной трактовки результатов
экспериментальных исследований.
Например, довольно распространена рекомендация различать
понятия радиочувствительность и радиопоражаемость, отражаю-
щие якобы разные биологические явления. Следует помнить (осо-
бенно молодым исследователям), что естествоиспытатель должен
стремиться, насколько возможно, упрощать понимание любого
явления природы. В полную меру это относится и к такому слож-
ному интегральному понятию, как радиочувствительность, кото-
рую следует однозначно понимать как синоним поражаемости изу-
чаемых объектов. Альтернативой служит понятие радиоустойчиво-
сти, или радиорезистентности.
Вместе с тем очевидно, что радиочувствительность можно рас-
сматривать и как пример многочисленных реакций биосистемы на
воздействие разных внешних агентов, в данном случае — на излу-
чение. Отсюда вполне логично характеризовать радиочувстви-
тельность любой регистрируемой реакцией, вне зависимости от ее
значения для жизнеспособности объекта. Но тогда и сравнение
различных объектов следует производить по степени проявления
данной реакции. Многие лучевые реакции строго специфичны для
определенных объектов (в частности, для определенных тканей и
систем) и отсутствуют у других. Например, такая универсальная
реакция клеток на облучение, как задержка деления, легко выяв-
ляется в активно пролиферирующих тканях и, по понятным при-
чинам, не может быть обнаружена в тканях, где клеточное деление
выражено слабо или отсутствует.
В равной степени не могут служить сравнительными показате-
лями радиочувствительности многочисленные функциональные
реакции, являющиеся проявлением высокодифференцированных
свойств определенных тканей, органов или систем. К их числу от-
носятся показатели специфической деятельности различных сис-
тем, активация и ингибирование специфического метаболизма,
продукция определенных ферментов, гормонов и других биологи-
ческих веществ.
30
Итак, при сравнении радиочувствительности необходимо ис-
пользовать только адекватные методы и критерии, несоблюдение
этого условия и ведет к упомянутой выше терминологической пу-
танице.
Наиболее ярко неправомерность использования специфиче-
ских клеточных или системных реакций в качестве критерия оцен-
ки исходной и особенно сравнительной радиочувствительности
можно продемонстрировать на примере центральной нервной
системы (ЦНС). В этом случае часто регистрируют изменение
электроэнцефалограммы или условно-рефлекторной деятельно-
сти под влиянием облучения, т. е. показателей, присущих только
ЦНС и отражающих крайне специфические черты ее функцио-
нальной деятельности. Между тем именно преходящие изменения
этих жизненно малозначащих показателей, наблюдающиеся уже
при весьма малых дозах излучения, и отсутствие поражения мор-
фологических структур мозга при очень высоких дозах являются
основанием для необоснованных рассуждений о том, что одна и та
же система может быть высоко радиочувствительной и в то же вре-
мя отличаться малой поражаемостью. Легко видеть, что в этом слу-
чае смешивают два понятия: преходящие функциональные реак-
ции, характеризующие высокую реактивность ЦНС, — свойство,
присущее ей и закрепленное эволюцией в связи с необходимостью
реагировать на любые изменения внешней среды, и напротив,
низкую чувствительность к поражающему действию радиации.
Необходимость корректных подходов к способам оценки ра-
диочувствительности может быть проиллюстрирована и на приме-
ре элементарной биологической единицы — клетки. Для клетки,
как это будет видно из последующего изложения (см. гл. 6 и 7),
можно легко зарегистрировать и количественно охарактеризовать
самые различные реакции на облучение, выявляемые с помощью
биохимических, морфологических, биофизических и специаль-
ных радиобиологических методов исследования. Однако одни из
них — преходящие, не имеют значения для жизнеспособности и
функционирования клетки, а другие — характеризуют летальный
эффект. Следовательно, и на этом уровне при сравнении радио-
чувствительности двух различных клеточных популяций следует
строго соблюдать принцип использования адекватных критериев
оценки.
С учетом рассмотренных примеров представляется наиболее
приемлемым в качестве показателя радиочувствительности ис-
пользовать величину, обратную отношению доз ионизирующего
31
излучения, вызывающих в сравниваемых системах количественно
равные специфические эффекты (одного типа).
К этому следует лишь добавить, что обязательным требовани-
ем к используемому критерию является его строгая количествен-
ная связь с дозой излучения.
Применительно к абсолютному большинству радиобиологи-
ческих задач в качестве такого интегрального критерия радиочув-
ствительности обычно используют либо непосредственно измене-
ние выживаемости изучаемых объектов в результате облучения в
определенных дозах, либо такие количественные показатели по-
ражения, которые в данном диапазоне доз однозначно связаны
определенным соотношением с выживаемостью.
Наиболее часто с этой целью используют так называемую ве-
личину ЛД50 — дозу, приводящую к гибели 50% подвергнутых ра-
диационному воздействию особей. Величины ЛД50 в природе раз-
личаются довольно значительно даже в пределах одного вида (на-
пример, между мышами разных линий).
Ниже представлены данные, характеризующие большие раз-
личия в радиочувствительности различных биологических объек-
тов: в дозах у-излучения, вызывающих гибель 50% объектов.
Биологический вид Доза, Гр*
Человек............. 2,5 — 4
Обезьяна............ 2,5 — 6
Овца................ 1,5 — 3
Собака.............. 2,5 — 3
Осел................ 2 — 4
Кролик................... 9—10
Хомяк.................... 9—10
Мыши разных линий 6 — 15
Крысы разных линий 7 — 9
Биологический вид Доза, Гр
Птицы......................... 8—20
Рыбы...................... 8 — 20
Змеи................... 80 — 200
Насекомые................. 10 — 100
Растения............... 10 — 1500
*Гр (грей) — единица измерения поглощенной дозы излучения (см. гл. 4).
В чем же причина такого разнообразия? Каковы механизмы,
определяющие естественную радиочувствительность биологиче-
ских объектов?
Однозначно ответить на этот важнейший вопрос радиобиоло-
гии не удалось и по сей день, хотя многие его аспекты изучены в
достаточной степени. Большинство из них будет рассматриваться
почти во всех разделах книги, а некоторые главы специально по-
священы анализу радиочувствительности на клеточном (см. гл. 7 и
32
8), тканевом и системном уровнях (см. гл. 12), без чего невозможно
правильно осмыслить последствия облучения организма человека
и животных.
РЕЗЮМЕ
• Под радиочувствительностью понимают степень реакции
клеток, тканей, органов или организмов на воздействие иони-
зирующего излучения.
• Мерой количественной оценки радиочувствительности
является доза облучения, при которой возникает регистрируе-
мый эффект.
• При сравнении радиочувствительности различных био-
логических систем (например, клеток, тканей или животных)
должны использоваться адекватные критерии — в одинаковой
мере легко регистрируемые в сравниваемых системах.
ГЛАВА
4 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
Электромагнитные и корпускулярные ионизирующие излучения
Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом; прони-
кающая способность; линейная передача энергии
Связь эффекта с дозой
Экспозиционная и поглощенная доза
Единицы измерения дозы и радиоактивности
В данной главе кратко рассматриваются основные физические
характеристики различных видов ионизирующих излучений, обу-
словливающие особенности их взаимодействия с веществом и оп-
ределяющие количественное и качественное многообразие реак-
ций биологических объектов на облучение1.
4.1. Типы ионизирующих излучений
Ионизирующие излучения получили свое название благодаря
способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом
веществе. Элементарный акт взаимодействия излучения с вещест-
вом — поглощение энергии кванта атомом или молекулой, приво-
дящее к высвобождению электрона — ионизации. При каждом
акте ионизации высвобождается энергия в размере 33 эВ1 2, что пре-
вышает энергию, требуемую для разрыва любых связей между ато-
мами в молекуле.
Ионизирующие излучения подразделяются по своей природе
на электромагнитные и корпускулярные. Электромагнитные из-
лучения — это рентгеновское излучение и у-излучение радиоак-
тивных элементов. Видимый свет и радиоволны — тоже электро-
1 Предполагается, что читателю известны элементарные сведения о строении
атома и радиоактивности и потому опускается их изложение, ставшее традицион-
ным для учебных пособий по радиобиологии.
2 1 эВ — электрон-вольт — внесистемная единица измерения энергии излуче-
ния; 1 эВ -1,6х 1012 эрг, кэВ = 103 эВ, МэВ = 106 эВ.
34
магнитные излучения, но они не ионизируют, ибо характеризуют-
ся большей длиной волны и соответственно меньшей энергией,
передаваемой атомам, которая недостаточна для отрыва электро-
на. Напомним, что энергия фотонов1 определяется произведением
постоянной Планка на частоту излучения, поэтому с увеличением
длины волны (уменьшением частоты) энергия фотонов падает.
Все остальные виды ионизирующих излучений имеют корпус-
кулярную природу. К корпускулярным излучениям относятся
р-частицы (отрицательно заряженные электроны и положительно
заряженные позитроны), а-частицы, состоящие из двух протонов
и двух нейтронов, ускоренные ионы — атомы различных элемен-
тов, лишенные электронов, а также внутриядерные частицы, из
которых для радиобиологии важны пи-мезоны. К корпускуляр-
ным излучениям относятся и не имеющие заряды ядерные части-
цы — нейтроны.
Многие частицы имеют два названия, которые относятся к
разным способам их получения. Так, об электронах, вылетающих
из ядра при его распаде, принято говорить как о короткопробеж-
ных р-частицах. Те же электроны, но уже ускоренные до энергии в
несколько МэВ, получают на линейных ускорителях и используют
для облучения опухолей при лучевой терапии, а также для подав-
ления жизнеспособности микроорганизмов при лучевой стерили-
зации медицинских материалов и пищевых продуктов. Положи-
тельно заряженные частицы с массой, равной массе электрона, —
позитроны — испускаются при распаде некоторых изотопов, а
также образуются в виде пары электрон-позитрон у-квантами вы-
сокой энергии. В медицине позитронное излучение используется
в диагностических целях.
Из двух протонов и двух нейтронов состоят а-частицы, которые
образуются при радиоактивном распаде и характеризуются не-
большой энергией (максимальную энергию в 8,8 МэВ имеют
а-частицы, вылетающие при распаде 210Ро), очень высокой плот-
ностью ионизации и пробегом в ткани в несколько мкм. Из двух
протонов и двух нейтронов состоят и ядра гелия, и эти частицы мо-
гут быть ускорены до энергии в сотни МэВ с помощью ускорите-
лей. Тогда их пробег в ткани оказывается достаточным для исполь-
зования при лучевой терапии глубоко залегающих опухолей. Этот
1 Фотоны — «частицы» (порции) электромагнитного излучения. Их энергия
(эВ) выражается соотношением 12400/Х, где X — длина волны излучения (нм).
35
вид излучения называют ускоренными ионами гелия или ускорен-
ными альфа-частицами.
В зависимости от энергии, которая определяется методом по-
лучения частиц (за счет естественного радиоактивного распада
или путем ионизации атомов и последующего ускорения ионов),
одинаковые по сути частицы могут иметь совершенно разную про-
никающую способность и плотность ионизации на единицу пути,
которая определяет важнейшие радиобиологические характери-
стики излучения.
4.2. Особенности взаимодействия ионизирующих
излучений с веществом
Существуют два вида ионизирующих излучений, различаю-
щиеся особенностями взаимодействия с веществом и определяе-
мые их физическими характеристиками — электромагнитные и
корпускулярные излучения.
4.2.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
К электромагнитным ионизирующим излучениям относится
рентгеновское и у-излучение.
Источником электромагнитного ионизирующего излучения
относительно низкой энергии являются рентгеновские трубки, в
которых, нагревая катод, получают пучок электронов, затем уско-
ряют их за счет высокого, в несколько десятков-сотен кВ, потен-
циала между катодом и анодом; взаимодействие ускоренных элек-
тронов с электронными оболочками атомов материала анода при-
водит к возбуждению атомов — переходу электронов на орбиты с
более высокой энергией; при возврате возбужденных атомов в ис-
ходное состояние происходит последовательное перемещение
электронов на орбиты, на которых они имеют более низкую энер-
гию. Разница в энергиях электронов и приводит к образованию
квантов так называемого «характеристического рентгеновского
излучения». Это излучение, генерируемое при потенциале на
трубке в десятки кВ, используется для диагностики, так как на его
поглощение сильно влияет атомный номер поглощающего веще-
ства — именно поэтому на рентгеновских снимках так хорошо
различимы кости и металлические предметы. Интенсивность это-
го излучения быстро уменьшается с глубиной тела. Излучение, ге-
нерируемое при напряжении в сотни кВ (практическим пределом
36
является 250—300 кВ), проникает на несколько большую глубину
и менее «избирательно» останавливается тканями различной
плотности. Ранее такое излучение использовалось при рентгено-
терапии злокачественных опухолей, теперь аппараты стараются
сохранить для экспериментальных исследований на животных, а в
клинике заменить на устройства, дающие возможность получить
излучение большей энергии, интенсивность которого незначи-
тельно снижается с глубиной ткани.
Для получения электромагнитного излучения еще более высо-
кой энергии, которое позволяет получать более равномерное облу-
чение глубоко расположенных новообразований, в медицине ис-
пользуют линейные ускорители электронов. Эти ускорители соз-
дают два вида ионизирующих излучений — корпускулярное (сами
электронные пучки, в которых частицы ускорены до энергии в де-
сятки миллионов вольт, МВ) и так называемое тормозное излуче-
ние. Ускоренные электроны, взаимодействуя с полем атомов ми-
шени (анода), теряют энергию и тормозятся, а потерянная энергия
выделяется в виде излучения, которое иногда, как и получаемое в
рентгеновских трубках, также называют рентгеновским.
В.К. Рентген занимался изучением обоих видов излучения, так
как и при работе рентгеновской трубки, помимо характеристиче-
ского излучения, вызванного переходами орбитальных электро-
нов атомов материала анода, также возникает тормозное излуче-
ние, хотя и очень малоинтенсивное).
И электронные пучки, и еще в большей мере тормозное излу-
чение линейных ускорителей в настоящее время являются основ-
ными видами излучения, которые ежедневно используются при
лучевом лечении многих тысяч больных по всему миру.
Гамма-лучами называют коротковолновое электромагнитное
излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами при
радиоактивных превращениях или при ядерных реакциях. Гам-
ма-лучи возникают также при аннигиляции частицы и античасти-
цы. Каждый радиоактивный изотоп характеризуется своей энер-
гией испускаемого у-кванта. По своей энергии и соответственно
глубине проникновения в ткани у-излучение занимает промежу-
точное положение между рентгеновским излучением, получае-
мым с помощью рентгеновских трубок, и тормозным излучением
линейных ускорителей. Использование у-излучения для лечения
злокачественных опухолей началось в 50-годы прошлого века, но
и сейчас оно широко применяется в клинике наряду с излучением
от линейных ускорителей.
37
Рис. 4.1. Размен энергии фотона рентгеновского излучения при эффекте
Комптона. Падающий фотон выбивает орбитальный электрон атома
облучаемого вещества. Часть энергии фотона передается в виде
кинетической энергии электрону. Образующийся вторичный фотон имеет
меньшую энергию и другое направление
Остановимся на механизмах передачи энергии электромагнит-
ных излучений веществу, при которых происходит ионизация
биологических молекул. Их три: фотоэлектрический эффект, эф-
фект Комптона и образование электронно-позитронных пар.
При фотоэлектрическом эффекте (фотоэффект) энергия па-
дающего кванта полностью поглощается веществом, в результате
появляются свободные электроны, обладающие определенной
кинетической энергией, величина которой равна энергии кванта
излучения за вычетом работы выхода данного электрона из атома.
Свободный электрон, ассоциируясь с одним из нейтральных ато-
мов, порождает отрицательный ион.
Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентге-
новского излучения. Его вероятность зависит от атомного номера
поглощающего вещества и пропорциональна Z5. С повышением
энергии излучения вероятность фотоэффекта уменьшается, и для
излучений с энергией, значительно превышающей внутриатом-
ные энергии связи (> 1 МэВ), его вкладом можно пренебречь.
Главную роль при этом начинает играть другой способ размена
энергии — эффект Комптона. При комптон-эффекте происходит
упругое рассеяние падающих фотонов излучения на электронах
внешней орбиты, которым передается лишь часть энергии фото-
нов. Оставшуюся часть энергии уносят рассеявшиеся фотоны
38
Рис. 4.2. Относительная вероятность, %, поглощения фотонов различной
энергии (£) в одном из трех видов взаимодействия излучения с веществом:
1 — фотоэффект, 2 — комптон-эффект, 3 — процесс образования пар
(рис. 4.1). В дальнейшем эти фотоны могут вновь претерпевать
комптон-эффект.
Энергия электронов отдачи, образующихся при эффекте Ком-
птона, в отличие от фотоэлектронов, изменяется в широких преде-
лах (от нуля до некоторого максимального значения). Средняя
энергия возрастает с увеличением энергии падающего излучения.
Доля энергии, поглощенной комптоновскими электронами, в об-
щем количестве поглощенной энергии увеличивается с ростом же-
сткости излучения.
Наконец, третий вид взаимодействия излучения с веществом
характеризуется возможностью превращения у-кванта большой
энергии (> 1 МэВ) в пару заряженных частиц — электрон и пози-
трон. Этот процесс вызывается взаимодействием у-кванта с ка-
ким-либо атомным ядром, в поле которого и образуется электрон-
но-позитронная пара. Вероятность такого процесса пропорцио-
нальна Z2 и поэтому для тяжелых элементов она больше, чем для
легких.
Следовательно, в зависимости от энергии падающего электро-
магнитного излучения преобладает тот или иной вид его взаимо-
действия с веществом (рис. 4.2.). В большинстве случаев при облу-
чении биологических объектов энергия используемого электро-
магнитного излучения находится в диапазоне 0,2—2 МэВ, поэтому
наибольшую роль играет комптон-эффект.
Поглощение пучка моноэнергетических фотонов в веществе
описывает зависимость
/(х) = /0^>
39
где /0 и 1(х) — интенсивности излучения, падающего и прошедшего
толщину х, а показатель экспоненты ц (линейный коэффициент
поглощения) характеризует поглощающую способность вещества1.
Таблица 4.1. Линейный коэффициент поглощения
у-излучения разной энергии в различных веществах
Энергия у-излу- чения, МэВ В воздухе (хЮ) В воде В железе В свинце
0,1 1,98 0,172 2,81 59,9
0,25 1,46 0,126 0,82 6,3
0,5 1,11 0,096 0,65 1,67
1,0 0,81 0,070 0,45 0,75
2,0 0,57 0,050 0,33 0,51
3,0 0,46 0,039 0,28 0,46
3,0 0,36 0,030 0,24 0,48
10,0 0,26 0,022 0,23 0,62
В табл. 4.1 приведены значения ц для четырех веществ (возду-
ха, воды1 2, железа и свинца) и зависимость этого коэффициента от
энергии излучения: чем меньше ц, тем слабее поглощение и боль-
ше проникающая способность электромагнитных излучений. Не-
трудно рассчитать, что для 100-кратного ослабления пучка рентге-
новских лучей, получаемых при энергии на трубке в 250 кэВ, дос-
таточно 7—8 мм свинца, обладающего большой поглощающей
способностью, а потому и используемого в качестве экрана для за-
щиты от вредного действия излучений. Более легкие металлы (А1,
Сг, Fe) используют в качестве фильтров, отсекающих очень мяг-
кую компоненту рентгеновских лучей, сильно поглощающуюся в
веществе (большое ц) и вызывающую при воздействии таких излу-
чений на организм лучевой ожог кожи.
4.2.2. КОРПУСКУЛЯРНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Заряженные частицы. Механизм передачи энергии в объекте от
всех заряженных частиц один и тот же. При прохождении через ве-
щество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая иони-
зацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии
1 Интенсивность уменьшается в е раз (е — основание натуральных логариф-
мов, равно 2,71).
2 Значения ц для биологических тканей близки к его величине для воды.
40
уменьшится настолько, что частица утратит ионизирующую спо-
собность. В зависимости от знака заряда при пролете в веществе
частица, испытывая электростатическое взаимодействие, притя-
гивается или отталкивается от положительно заряженных ядер.
Чем больше масса летящей частицы, тем меньше она отклоняется
от первоначального направления. Поэтому траектория протонов и
более тяжелых ядерных частиц практически прямолинейна, а тра-
ектория электронов сильно изломана вследствие рассеяния на ор-
битальных электронах и ядрах атомов. Этот вид взаимодействия
легких частиц, при котором практически меняется лишь направ-
ление их движения, а не энергия, иногда называют упругим рассея-
нием в отличие от неупругого рассеяния (торможения), которое на-
блюдается при прохождении электрона очень высокой энергии
вблизи ядра. При этом скорость летящего электрона снижается, и
часть его энергии испускается в виде фотона тормозного излуче-
ния, о котором говорилось ранее.
Кроме длины пробега, корпускулярные и электромагнитные
излучения различаются пространственным распределением вызы-
ваемых ими актов ионизации.
Энергию, переданную заряженной частицей на единице длины
ее пробега в веществе, называют линейной передачей энергии (ЛПЭ)
и измеряют в кэВ/мкм.
Понятие ЛПЭ было введено Р. Цирклем в 1954 г. В зависимо-
сти от значения ЛПЭ, а следовательно, от плотности ионизации,
все ионизирующие излучения делят на редкоионизирующие
(ЛПЭ < 10кэВ/мкм)иплотноионизирующие(ЛПЭ > ЮкэВ/мкм).
Гамма-излучение 60Со и рентгеновское излучение с длиной
волны ~ 20 нм (генерируемое при напряжении на трубке 250 кэВ)
имеют ЛПЭ, соответственно равное » 0,3 и 2 кэВ/мкм, нейтроны с
энергией 14 МэВ — 12 кэВ/мкм, а ускоренные тяжелые заряжен-
ные ядерные частицы — от 100 кэВ/мкм и выше.
ЛПЭ связана как с физической природой излучения, так и с
энергией кванта или частицы. Например, в современных ускори-
телях тяжелые частицы разгоняют до столь больших энергий, что
их скорость приближается к скорости света. В этом случае ЛПЭ
всех частиц снижается до минимального значения, характерного
для редкоионизирующих легких частиц (например, электронов) с
энергией 1 МэВ. Поэтому при очень большой скорости движения
быстрые протоны и электроны имеют одинаковую ЛПЭ, несмотря
на отличие по массе в 1800 раз. ЛПЭ заряженных частиц возрастает
со снижением их скорости, поэтому в конце пробега передача
41
энергии заряженной час-
тицей веществу макси-
мальна, что приводит к ха-
рактерному распределе-
нию ионизации, описы-
ваемому так называемой
кривой Брэгга (рис. 4.3).
Эту особенность взаимо-
действия моноэнергетиче-
ских тяжелых ядерных
частиц с веществом, а
именно повышение дозы
на глубине с последующим
ее спадом до нуля, исполь-
зуют при лечении опухо-
лей, так как она позволяет
сосредоточить значитель-
ную энергию именно на
пораженной ткани, избегая облучения находящихся за опухолью
тканей; к тому же тяжелые заряженные частицы характеризуются
минимальным боковым рассеянием походу пучка (см. гл. 21).
Нейтроны. Нейтроны не несут электрического заряда, что по-
зволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов; достигая
ядер, они либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них. При
упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других
элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь
10—15% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по
массе ядрами водорода — протонами, энергия нейтрона уменьша-
ется в среднем вдвое, передаваясь протону отдачи (рис. 4.4). По-
этому вещества, содержащие большое количество атомов водоро-
да (воду, особенно тяжелую, парафин), используют для защиты от
нейтронного излучения.
Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неус-
тойчивыми и, распадаясь, порождают протоны, а-частицы и фо-
тоны у-излучения, также способные производить ионизацию. При
таких ядерных реакциях могут образовываться радиоактивные
изотопы элементов. Ионизируют вещество и сами ядра отдачи,
возникающие при ядерных превращениях.
Таким образом, и при нейтронном облучении конечный био-
логический эффект связан с ионизацией, производимой опосре-
дованно вторичными частицами или фотонами. Следовательно,
преимущественный вклад того или иного вида ядерного взаимо-
42
энергией
Рис. 4.4. Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого
материала. Часть энергии нейтрона передается протону отдачи в качестве
кинетической. Нейтрон рассеяния отклоняется от прежнего направления и
обладает меньшей энергией
действия нейтронов зависит от их энергии, а также от состава об-
лучаемого вещества. По величине энергии различают четыре вида
нейтронов.
Быстрые нейтроны (с энергией более 100 кэВ).
К быстрым относят прежде всего нейтроны деления, образую-
щиеся в ядерных реакторах при делении ядер 235U, а также при
спонтанном распаде 252Cf. Нейтроны деления обладают широким
спектром энергий с модальной величиной 1 МэВ (рис. 4.5, 7). Бы-
стрые нейтроны получают и в циклотронах в результате бомбарди-
ровки дейтронами (ускоренными до энергии в несколько МэВ) бе-
риллиевой мишени. В зависимости от энергии дейтронов образу-
ются нейтроны соответствующих энергий. Спектр нейтронов со
средней энергией 6 МэВ, полученных при использовании дейтро-
нов, ускоренных до 15 МэВ, приведен на рис. 4.5, 2. Наконец, в
результате ядерной реакции, возникающей при облучении тритие-
вой мишени пучками дейтронов, ускоренных до энергии около
14 МэВ, образуются практически моноэнергетические нейтроны с
энергией 14 МэВ (рис. 4.5, 3).
Рис. 4.5. Энергетические спектры
быстрых нейтронов, получаемых из
трех наиболее распространенных
источников (пояснение в тексте)
о
Энергия нейтронов, МэВ
43
Промежуточные нейтроны (с энергией от 100 до 1 кэВ).
Медленные нейтроны (с энергией меньше 1 кэВ).
Тепловые нейтроны (обладающие энергией теплового движе-
ния, которая составляет при комнатной температуре около
0,025 эВ).
Наибольшее практическое значение в радиобиологии имеют
быстрые нейтроны, наиболее глубоко проникающие в ткани. Все
остальные, однако, образуются по мере замедления быстрых ней-
тронов и вносят свой вклад в общий процесс поглощения энергии.
Интересной для медицины особенностью взаимодействия теп-
ловых нейтронов с веществом является очень высокое сечение их
захвата атомами одного из изотопов бора — 10В, а также гадоли-
ния — l57Gd. При захвате теплового нейтрона атомом бора проис-
ходит его распад на ядро лития и а-частицу с выделением у-кванта.
Вылетевшие атомы лития и а-частицы характеризуются пробегом
в несколько мкм, соизмеримым с размерами клетки, и высокой
плотностью ионизации, что послужило основой для создания ме-
тода нейтронзахватной терапии (подробнее см. гл. 21), примене-
ние которой возможно в случае, когда удается достичь больших
различий в накоплении |0В между опухолевыми клетками и нор-
мальными тканями. При захвате теплового нейтрона атомом l57Gd
испускаются короткопробежные и плотноионизирующие элек-
троны Оже, электроны конверсии и у-кванты.
л-Мезоны. Это отрицательно заряженные элементарные час-
тицы с массой, в 273 раза превышающей массу электрона. Их по-
лучают на мощных синхроциклотронах, генерирующих пучки
протонов с энергией в сотни МэВ. л-Мезоны обладают уникаль-
ной способностью взаимодействия с ядрами атомов. Эти частицы
с энергиями 25—100 МэВ проходят весь путь в ткани до полного
торможения почти без ядерных взаимодействий, а в конце пробега
захватываются ядрами атомов ткани. Так как при этом в ядро вно-
сится энергия в 140 МэВ, равная массе покоя л-мезона, то, как
правило, каждый акт поглощения л-мезона сопровождается раз-
рушением ядра и вылетом из него нейтронов, протонов и таких
сильноионизирующих частиц, как а-частицы, ионы Li, Be и дру-
гих, создающих большое локальное энерговыделение («микро-
взрыв») вблизи места захвата. Эта важная особенность л-мезонов
явилась основанием для начала их применения в лучевой терапии
опухолей, впрочем, очень ограниченного высокой стоимостью и
трудоемкостью осуществления на фоне не столь больших отличий
в эффективности по сравнению с другими методами, прежде всего
44
с использованием пучков ускоренных протонов и более тяжелых
ионов.
Итак, все виды ионизирующих излучений сами или опосредо-
ванно вызывают либо возбуждение, либо ионизацию атомов или
молекул биосистем. Однако при облучении объектов разными ви-
дами ионизирующей радиации в равных дозах возникают количе-
ственно, а иногда и качественно различные биологические эффек-
ты, что связано с пространственным распределением энергии, вы-
деляющейся при взаимодействии в облучаемом микрообъеме, т. е.
с ЛПЭ.
Для сравнительной количественной характеристики биологи-
ческого действия различных видов излучения определяют их от-
носительную биологическую эффективность (ОБЭ). Этому вопросу
посвящена гл. 10. Здесь лишь заметим, что ОБЭ излучения в ос-
новном определяется его ЛПЭ.
4.3. Единицы дозы излучения и радиоактивности
Дозу падающего на объект излучения можно оценить, преоб-
разуя его в теплоту и измеряя повышение температуры. Однако
при дозах, используемых в радиобиологии, количество образую-
щейся теплоты столь ничтожно, что его измерение представляется
трудной задачей, и соответствующее оборудование имеется только
в ведущих национальных лабораториях. Поэтому на практике для
оценки доз применяют другие физические и химические методы.
Для этого используют ионизационные камеры (измеряют элек-
трический ток, возникающий вследствие ионизации содержаще-
гося в камерах газа), различные химические системы (учитывают
выход определенных веществ в процессе радиолиза, например же-
леза, образуемого при облучении раствора ферросульфата), изме-
нения физико-химических свойств специальных материалов и др.
Вопросы радиационной дозиметрии составляют специальную
область ядерной физики, поэтому здесь будет дано лишь краткое
описание основных понятий и существующих единиц измерения.
Общее представление о количестве падающей на объект энер-
гии излучения за время облучения может быть получено измере-
нием так называемой экспозиционной дозы (X).
X — da/dm,
где da — полный заряд ионов одного знака, возникающих в возду-
хе при торможении всех вторичных электронов, образованных фо-
45
тонами в малом объеме воздуха; dm — масса воздуха в этом объеме.
Единица экспозиционной дозы выражается в кулонах на кило-
грамм (Кл/кг) и позволяет лишь ориентировочно оценивать сте-
пень повреждения объекта, поскольку оно может вызываться
только поглощенной объектом энергией. Поэтому необходимо
определять количество энергии, выделяющейся в облучаемом ма-
териале, т. е. величину поглощенной дозы (Л) излучения, под кото-
рой понимают среднюю энергию с!£, переданную излучением ве-
ществу в некотором элементарном объеме, деленную на массу ве-
щества dm в этом объеме: D = dE/dm. Единицей поглощенной дозы
служит грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг.
Для сравнительной оценки биологического действия различ-
ных видов излучений и смешанных или неидентифицированных
потоков излучения используют специальную единицу — бэр.
При оценке радиационной опасности отдаленных последствий
применяют понятие эквивалентной дозы, которая определяется как
средняя величина поглощенной дозы в том или ином органе или
ткани с учетом фактора качества (взвешивающего коэффициента)
излучения. Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).
При оценке эффективности действия радиоактивных изото-
пов расчет поглощенных доз, создаваемых ими как при внешнем
облучении, так и при попадании внутрь организма (инкорпориро-
вании), производят исходя из вида и энергии излучения, а также
«активности» инкорпорированного изотопа. За единицу радиоак-
тивности, получившую название беккерель (Бк), принято одно
ядерное превращение в секунду.
Для характеристики распределения поглощенной дозы во вре-
мени используют величину мощности поглощенной дозы, или ин-
тенсивности облучения. Под этим понимают количество энергии
излучения, поглощаемой в единицу времени (1 ч, 1 мин, 1 с) еди-
ницей массы вещества.
При облучении организма различают также острое и пролонги-
рованное (синоним — протрагированное), однократное и много-
кратное (синоним — фракционированное) облучение. Под острым
понимают кратковременное облучение при высокой мощности
дозы (доли грея в минуту и выше), под пролонгированным — об-
лучение при низкой мощности дозы (доли грея в час и ниже). Как
острое, так и пролонгированное облучение может быть однократ-
ным или фракционированным. Кроме того, известно хроническое
облучение, которое можно рассматривать как разновидность
фракционированного, но проводящегося очень длительно и в ма-
лых дозах.
46
Луис Гарольд Грей
Рольф Максимилиан Зиверт
Распределение дозы различных по Л ПЭ излучений во времени
может значительно и по-разному сказываться на непосредствен-
ных эффектах и особенно на отдаленных последствиях облучения,
в связи с чем определению временного распределения дозы в ра-
диобиологии уделяют серьезное внимание.
Все приведенные выше величины даны в единицах Междуна-
родной системы (СИ, Система Интернациональная). До этого в
радиобиологии использовали другие — внесистемные единицы —
рентген, рад, кюри и их производные.
Как внесистемные (рентген, кюри), так и единицы Междуна-
родной системы (беккерель, грей, зиверт) являются эпонимиче-
скими (образованными от имени ученых) в память о наиболее вы-
дающихся исследователях. С заслугами В. Рентгена, П. Кюри и
А. Беккереля читатель был ознакомлен во 2-й главе. Честь возве-
дения Луиса Гарольда Грея — лауреата премии им. Рентгена — в
ранг эпонима оправдана его миссией физика, целиком посвятив-
шего себя радиобиологии и установившего количественные связи
между физическими и биологическими эффектами ионизирую-
щего излучения. Его имя присвоено крупнейшему английскому
институту, являющемуся общепризнанным международным на-
учно-исследовательским центром в области радиационной онко-
логии.
Шведский исследователь Рольф Максимилиан Зиверт знаме-
нит своими исследованиями в области дозиметрии и радиацион-
47
ной безопасности. По его инициативе, в частности, создана сеть
станций наблюдения за радиоактивным загрязнением планеты.
В табл. 4.2 приводятся справочные материалы, позволяющие
выполнить расчеты по переводу основных радиационных вели-
чин, выраженных во внесистемных единицах, в единицы Между-
народной системы и обратно. Для каждого типа расчетов даны чи-
словые примеры с промежуточными преобразованиями, пояс-
няющие способ получения конечного результата и порядок вы-
полняемых расчетов. Заметим, что включенная в табл. 4.2 единица
эквивалентной дозы излучения — зивертов (Sv, Зв) была принята
на XVI Генеральной конференции по мерам и весам (Париж, ок-
тябрь 1979) и предназначена только для использования в области
радиационной безопасности (см. гл. 10 и 24).
Таблица 4.2. Основные физические величины,
используемые в радиационной биологии, и их единицы
Физическая величи- на Единица, ее наименование, ме- ждународное и русское обозна- чение Соотношение между единицами
внесистемная международной системы внесистемной и Международ- ной системы международной системы и внесистемной
Активность нук- лида в радиоактив- ном источнике кюри (Ci, Ки) беккерель (Bq, Бк) 1 Ки = = 3,7 • 10"’ Бк 1 Бк = = 2,7 х 10'11 Ки
Экспозицион- ная доза излучения рентген (R, Р) кулон на ки- лограмм (C/kg, Кл/кг) 1 Р = = 2,58 • 104 Кл/кг 1 Кл/кг = = 3876 Р
Мощность экс- позиционной дозы излучения рентген в се- кунду (R/s, Р/с) ампер на ки- лограмм (A/kg, А/кг) 1 Р/с= = 2,58 х 10~4 А/кг 1 А/кг = = 3876 Р/с
Поглощенная доза излучения рад (rad, рад) грей (Gy, Гр) 1 рад = = 0,01 Гр 1 Гр = = 100 рад
Мощность по- глощенной дозы излучения рад в секунду (rad/s, рад/с) грей в секун- ду (Gy/s, Гр/с) 1 рад/с = = 0,01 Гр/с 1 Гр/с= = 100 рад/с
Примеры расчетов при переходе от внесистемных единиц к едини-
цам Международной системы
4500 Ки = 4500 • 3,7 • Ю10 Бк = 166 1012 Бк = 166 ТБк
500 Р= 500 2,58/104Кл/кг= 129 • 10~3 кл/кг = 129 мКл/кг
90 Р/мин = (90/60) Р/с = 1,5 • 2,58 10-4 А/кг = 0,387 • 10-3А/кг =
= 0,387 мА/кг
48
200 рад =200 -0,01 Гр = 2 Гр
60 рад/мин = 60 • 0,01 Гр/мин = 0,6 Гр/мин
Примеры расчетов при переходе от единиц Международной сис-
темы к внесистемным единицам
5,55 ГБк = 5,55 • 109 • 2,7 • 10"“Ки=15- 10-2 Ки = 150 мКи
77,4 мКл/кг = 77,4 • 10-3 • 3876 Р = 3 • 105 • 10"3 Р = 300 Р
0,215 мА/кг = 0,215 • 10~3 • 3876 Р/с = 0,833 Р/с (или 0,833 • 60 =
=50 Р/мин)
4,5 Гр = 4,5 • 100 рад = 450 рад
75 мГр/мин = 75 • 10~3 • 100 рад/мин = 7,5 рад/мин
РЕЗЮМЕ
• Существуют два типа ионизирующих излучений — элек-
тромагнитные и корпускулярные.
• К электромагнитным относят рентгеновское и у-излуче-
ние, а к корпускулярным — заряженные (а-, р- (электроны)
частицы, протоны и л-мезоны) и нейтральные (нейтроны) час-
тицы.
• Энергию, теряемую частицами на единице ее пробега в
веществе, называют линейной передачей энергии (ЛПЭ) и из-
меряют в кэВ/мкм.
• Различают редко ионизирующие (ЛПЭ < 10 кэВ/мкм) и
плотноионизирующие (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм) излучения.
• ЛПЭ разных типов ионизирующих излучений в большой
степени определяет их биологическую эффективность.
• Поглощенная доза (D) — средняя энергия d£, переданная
излучением в некотором элементарном объеме вещества, де-
ленная на его массу dm в этом объеме: D — dE/dm. Единицей
поглощенной дозы является грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг.
• Эквивалентная доза — средняя поглощенная доза любого
вида ионизирующей радиации в органе или ткани с учетом
фактора качества излучения. Используется в области радиаци-
онной безопасности. Единицей эквивалентной дозы является
зиверт (Зв).
ГЛАВА
5 ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Две причины разрыва межатомных связей в молекуле-мишени
при действии радиации — выделение энергии в самой мишени и
ее атака водными радикалами, образующимися при ионизации
окружающих ее молекул воды
Продукты радиолиза воды, участвующие в поражении биологи-
ческих макромолекул
Соотношение объемов поражения, вызванных прямой иониза-
цией мишени и ее атаками радикалами воды
Особенности проявления косвенного действия радиации
В предыдущей главе были рассмотрены основные процессы
взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, резуль-
татом которых является ионизация атомов и молекул. Но это толь-
ко самый первый «акт драмы», разыгрывающейся в клетке. В ра-
диобиологии его рассматривают как «прямое» действие радиации.
Его результатом является изменение макромолекул, в первую оче-
редь такой громадной структуры, как ДНК, а также образование
нескольких высокореакционных продуктов из молекул воды, со-
ставляющей основную (80—90% вещества) массу клетки.
Продукты радиолиза воды реагируют как между собой, так и с
органическими компонентами клетки, приводя к разрушению их
молекулы. Этот путь лучевого поражения жизненно-важных
структур клетки носит в радиобиологии название косвенного ме-
ханизма действия излучения. Итак, под прямым действием пони-
мают такие изменения, которые возникают в результате утери или
приобретения электрона самими рассматриваемыми молекулами
(«мишенями»). Под косвенным действием понимают изменения
этих мишеней, вызванные продуктами радиационного разложе-
ния (радиолиза) окружающей эти молекулы воды и растворенных
в ней низкомолекулярных соединений, а не энергией излучения,
поглощенной самими исследуемыми молекулами (рис. 5.1).
При радиолизе молекула воды ионизируется, теряя электрон:
Н2О -+ Н2О++е“
Ион радикал Н2О+реагирует с нейтральной молекулой воды
50
Н2О++Н2О -> Н30+ + он*,
в результате чего образуется высокореактивный радикал гид-
роксила ОН’.
Высвобожденный из молекулы воды электрон взаимодейству-
ет с окружающими молекулами воды; при этом возникает возбуж-
денная молекула Н2О*, которая диссоциирует с образованием двух
радикалов: Н’ и ОН*
Н2О++е~ -> Н2О* -> Н’ + ОН’
Радикалы ОН’ ответственны более чем за половину радиаци-
онных поражений молекул ДНК, так как они способны к диффу-
зии на расстояние около 1 нм. Радиус двойной спирали молекулы
ДН К близок к 1 нм, так что ее сечение (?rR2) равно 3,14 нм2. Площадь,
с которой к ДНК могут доходить радикалы, равна 3,14 • 22 нм2 —
— 3,14 нм2 = 9,42 нм2, т.е. втрое больше, чем площадь сечения са-
мой молекулы ДНК. Естественно, что часть образующихся в этом
кольце воды радикалов диффундируют не в сторону ДНК и не
принимают участие в ее поражении.
В присутствии кислорода образуются и другие продукты ра-
диолиза, обладающие окислительными свойствами: гидроперок-
сидный радикал Н0’2, пероксид водорода Н2О2 и атомарный ки-
слород:
Н’ + О2 -» НО2’
Н0’2 +Н0’2 -> Н2О2 + 20
Кроме окислительных продуктов, в процессе радиолиза воды
возникает стабилизированная форма электрона — гидратирован-
ный электрон (е~ aq). Он обладает высокой реакционной способ-
ностью, но уже в качестве восстановителя. Другим восстановите-
лем, образующимся при радиолизе воды, является атомарный во-
Рис. 5.1. Прямое (У) и косвенное
(II) действие ионизирующего
излучения на клетку.
• — мишени; — излучение;
- - - — диффузия свободных радикалов
к молекулам-мишеням
51
Рис. 5.2. Продукты радиолиза
воды. Тонкие стрелки внизу
показывают возможные реакции
с участием гидратированного
электрона
дород. Процесс радиолиза воды упрощенно представлен на рис. 5.2,
а схема первичных физико-химических процессов на пути от ио-
низации к конечному биологическому эффекту приведена на
рис. 5.3.
Еще раз отметим, что продукты радиолиза, в первую очередь
свободные радикалы, содержащие неспаренные электроны, харак-
теризуются чрезвычайно высокой реакционной способностью,
так что время их существования составляет от 10-10 до долей секун-
ды. За этот период они либо рекомбинируют друг с другом, либо
реагируют с находящимися рядом органическими соединениями.
Рис. 5.3. Схема первичных физико-химических процессов на пути от
ионизации к конечному биологическому эффекту
52
«Цель» радикала состоит в том, чтобы освободиться от неспарен-
ного электрона — передать его другой молекуле или отнять у нее
электрон для образования пары и превратиться тем самым из ра-
дикала в «стабильную» молекулу.
Изменения облучаемого субстрата в клетке, возникающие на
каждом из этапов, не всегда являются окончательными. Как пра-
вило, они имеют промежуточный характер, так как наряду с реали-
зацией повреждения может произойти и восстановление исходно-
го состояния.
Первые исследования косвенного действия радиации были
проведены в 30-е годы прошлого века Г. Фрикке, изучавшим ра-
диохимические изменения в растворах неорганических и простых
органических соединений, а затем У. Дейлом, исследовавшим рас-
творы ферментов. Был установлен парадоксальный факт, что чис-
ло измененных излучением молекул не было прямо связано с их
общим количеством в растворе (т.е. концентрацией), в то время,
как, казалось бы, чем больше в растворе находится изучаемых мо-
лекул, тем выше вероятность их повреждения радиацией и тем
больше должно быть абсолютное число пораженных молекул. Для
объяснения этого парадокса и была выдвинута теория косвенного
действия радиации, указывающая, что поражение изучаемых мо-
лекул происходит не только за счет прямого попадания в них ио-
низирующего излучения (в виде квантов или уже в виде электро-
нов, образовавшихся в других молекулах), но и за счет диффузии к
ним продуктов радиолиза молекул воцы. Так как вода занимает
весь облучаемый объем, то количество подвергнутых радиолизу
молекул воды при данной дозе излучения постоянно, и их хватает
только для поражения определенного числа молекул изучаемого
вещества (при не слишком разбавленных растворах). Увеличение
концентрации изучаемого вещества сверх определенной величи-
ны в этих условиях не должно сопровождаться пропорциональ-
ным увеличением числа пораженных молекул.
Таким образом, при косвенном действии радиации, независи-
мо от разведения раствора, абсолютное число поврежденных мо-
лекул остается постоянным, а доля их от общего числа изменяется
обратно пропорционально их концентрации. Например, в опытах
Г. Фрикке (рис. 5.4) при облучении 1 л раствора муравьиной ки-
слоты в дозе 100 Гр выделялось 25 мкмоль водорода независимо от
того, содержал ли облучаемый объем 10~4 моль (черные кружки)
53
Рис. 5.4. Независимость абсолютного
радиационного выхода от
концентрации растворенного
вещества (объяснения в тексте)
или 10"' моль (светлые кружки)
кислоты. Следовательно, одно и
то же количество распавшихся
молекул муравьиной кислоты —
в данном случае 25 мкмоль, —
составляло в более слабом рас-
творе 25% от общего количества
растворенной кислоты, а в более
концентрированном — 0,025%.
Лишь при очень сильном раз-
бавлении часть радикалов, взаи-
модействуя друг с другом, не
реагировала с растворенным ве-
ществом, в связи с чем увеличи-
валась величина инактивирую-
щей дозы.
В отличие от косвенного,
при прямом действии радиации
число инактивированных моле-
кул при заданной дозе увеличи-
вается пропорционально концентрации раствора, а их доля от об-
щего числа молекул остается постоянной (рис. 5.5).
При изучении относительной роли прямого и косвенного дей-
ствия радиации в инактивировании клетки основным подходом
явилось использование перехватчиков водных радикалов. Дж.
Чепмен с помощью введения в среду 2—3 М диметилсульфоксида
показал, что при облучении клеток китайского хомячка радикалы
ОН* отвечают примерно за 57% поражения клеток в условиях нор-
мальной оксигенации и за 25% поражения при облучении в анок-
сии. В последнем случае снижение роли косвенного действия объ-
ясняется отсутствием таких активных радикалов, как НО*2, а также
Н2О2. Оценки показывают, что в инактивации клетки в состоянии
полной оксигенации вклад косвенного действия радиации дости-
гает 70—90%. Косвенное действие радиации, осуществляемое ра-
дикалами и ион радикалами, может модифицироваться химиче-
скими соединениями, в то время как для прямого действия радиа-
ции химическая модификация эффекта невозможна.
Термины прямого и косвенного действия радиации в радиобио-
логии целесообразно использовать в только что описанном смыс-
54
Рис. 5.5. «Эффект разведения». Зависимость инактивации фермента или
вируса от его концентрации в растворе при прямом (7) или косвенном (2)
действии излучения (по 3. Баку и П. Александеру)
ле. Особенно это касается косвенного действия радиации, посколь-
ку в радиобиологии известно множество эффектов непрямого дей-
ствия радиации. Наиболее близким является образование в облу-
ченных клетках и выделение в окружающую среду относительно
долгоживущих, по крайней мере в течение многих минут, продук-
тов, вызывающих генетические изменения и гибель помещенных
в эту среду интактных клеток. По ряду особенностей такие продук-
ты можно отнести к веществам белковой природы. Известно также
образование при облучении полной, т.е. содержащей сыворотку,
питательной среды для культур клеток неких веществ, вызываю-
щих нарушение роста посеянных на такой среде интактных кле-
ток. Предполагается, что в среде образуются долгоживущие произ-
водные кислорода, причем на ДНК интактных клеток они дейст-
вуют как непосредственно, так и меняя клеточный метаболизм,
например, активируя NADPH-оксидазы цитоплазматических
мембран. В результате в необлученной клетке воспроизводятся та-
кие же активные формы кислорода, как и при облучении самой
клетки. Множество эффектов непрямого действия радиации за-
фиксировано по изменениям в полностью экранированных тка-
нях организма при облучении других его тканей.
Эти обстоятельства надо иметь в виду при использовании та-
ких близких по смыслу в обычной речи терминов, как косвенное и
непрямое (опосредованное) действие радиации.
55
РЕЗЮМЕ
• Выделение энергии ионизирующих излучений в ключе-
вых структурах, в первую очередь ДНК, называемое «прямым
действием» излучений, ответственно за 10—20% лучевого по-
ражения; «косвенное действие» радиации, при котором пора-
жение критических структур осуществляется продуктами ра-
диолиза окружающей их воды, ответственно за 80—90% луче-
вого поражения.
• Именно косвенное действие радиации усиливается или
ослабляется с помощью химических модификаторов.
6 ГЛ А В A
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ
БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Виды радиационных повреждений ДНК и механизмы их репара-
ции
Радиационные поражения ДНК и задержка прохождения кле-
точного цикла
Индукция и реализация программируемой смерти клетки (апоп-
тоза)
При облучении клетки поражаются все ее структуры. Вероят-
ность поражения тех или иных молекул определяется их размером:
чем крупнее молекула, тем, естественно, больше вероятность ее
повреждения. Именно поэтому в качестве основной мишени ра-
диационного поражения клетки рассматривается ДНК.
Общая длина всех молекул ДНК в клетке человека составляет
около 2 м. ДНК распределена по 46 хромосомам, в каждой хромо-
соме имеется только одна молекула ДНК (до ее репликации при
подготовке клетки к делению), длина которой, в зависимости от
размера хромосомы, варьирует от 1,7 до 8,5 мм. Гены, кодирующие
тот или иной белок, находятся только в двух хромосомах, одна из
которых унаследована от отца, а другая — от матери. Ген, наличие
которого определяет мужской пол ребенка, представлен в клетке в
единичной копии в К-хромосоме.
Для разных областей биологической науки важны разные осо-
бенности строения ДНК. Здесь укажем на те, которые существен-
ны для понимания механизма действия ионизирующих излучений
на клетку.
Основой молекулы ДНК являются две нити (также называе-
мых цепями, или цепочками), построенные из повторяющихся
участков (звеньев), образуемых дезоксирибозой (относящейся в
химическом плане к сахарам) и фосфорной кислотой, которые, в
свою очередь, соединены между собой эфирными связями (рис. 6.1).
Эта часть ДНК называется ее сахаро-фосфатным скелетом (или
остовом молекулы). К каждому кольцу дезоксирибозы присоеди-
нено одно из четырех оснований — пуриновых (аденин или гуа-
57
Рис. 6.1. Строение одной из двух нитей ДНК:
1 — сахаро-фосфатный скелет; 2—пятичленный сахар (дезоксирибоза); 3— основание
(в данном случае аденин); "/—нуклеозид (в данном случае дезоксиаденозин)
нин) или пиримидиновых (тимин или цитозин). Основание вме-
сте с дезоксирибозой образует нуклеозид.
Строительными элементами ДНК являются нуклеотиды —
нуклеозиды, у которых дезоксирибоза соединена с остатком фос-
форной кислоты (фосфорилированные нуклеозиды). Каждое из
оснований имеет две или три водородные связи с одним из основа-
ний противоположной нити ДНК (аденин — с тимином, гуа-
нин — с цитозином). Одна из нитей определяет генетическую ин-
формацию клетки и с нее считывается информация по расположе-
нию аминокислот в белках, а вторая служит для точного воспроиз-
ведения этой нити в процессе удвоения ДНК при подготовке
клетки к делению.
В клетке различные участки ДНК одной и той же молекулы на-
ходятся очень близко друг к другу из-за многократного сворачива-
ния ДНК в структуры все большего и большего диаметра (рис. 6.2).
Двойная спираль ДНК имеет диаметр 1,7 нм (эта величина часто
для простоты принимается равной 2 нм), расстояние между витка-
ми спирали равно 3,4 нм (см. рис. 6.2, а). Участки нити ДНК дли-
ной около 200 пар нуклеотидов периодически сворачиваются во-
круг структур, образованных белками основного характера — гис-
тонами, формируя нуклесомы диаметром 11 нм (рис. 6.2, б). ДНК,
связанную с белком, называют хроматином, а всю структу-
ру — «бусинками (нуклеосомы) на нитке».
Нуклеосомная нить в свою очередь складывается в структуры
диаметром 30 нм (рис. 6.2, в), образующие так называемые гигант-
58
Рис. 6.2. Строение участка молекулы ДНК и ее пространственная упаковка
в интерфазном ядре и (после конденсации) в хромосоме делящейся клетки:
а — двойная спираль ДНК; б— молекула ДНК, свернутая в нуклеосомы;
в — нуклеосомная нить; г и д — следующие уровни хроматина (пояснения в тексте)
ские петли общей длиной 300 тыс. пар оснований. Эти петли стро-
го фиксируются внутри ядра, прикрепляясь белковым «якорем» к
ядерной мембране и фибриллярной сети ядерного матрикса. Каж-
дая гигантская петля хроматина в нескольких точках прикрепляет-
ся к молекуле топоизомеразы II, создавая структуру, называемую
розеткой, лепестки которой образуются нитью ДНК длиной
50 тыс. пар оснований.
Следующие уровни упаковки хроматина — петли шириной
300 нм, из которых формируются петли шириной 700 нм, распола-
гающиеся поперек хроматиды (см. рис. 6.2, г). Хромосома в мета-
фазе состоит из двух хроматид, одна из которых образована «роди-
тельской», а вторая — синтезированной в S-периоде новой нитью
ДНК (см. рис. 6.2, д). Хроматиды соединены между собой центро-
мерой (Ц), образуя хромосому. В анафазе хроматиды отделяются
59
друг от друга и расходятся к полюсам деления клетки. В этот мо-
мент бывшие хроматиды начинают называться хромосомами до-
черних клеток.
Плотность упаковки отдельных участков ДНК постоянно ме-
няется, что связано с синтезом на ней РНК в момент считывания
информации для синтеза белков, а также с репликацией (удвоени-
ем) ДНК при подготовке клетки к делению. С позиций радиобио-
логии важен факт теснейшего пространственного расположения
различных частей одной и той же молекулы ДНК в интерфазной
клетке и в хромосоме (см. рис. 6.2, г) и, кроме того, близкое распо-
ложение молекул ДНК, принадлежащих разным хромосомам.
6.1. Радиационные повреждения ДНК
В результате прямой ионизации самой молекулы ДНК и ее ата-
ки радикалами ОН* происходит разрыв химических связей между
атомами. Разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете нарушает не-
прерывность нити ДНК. Если разорвана одна из нитей, говорят об
однонитевом или одиночном разрыве. Совпадение разрывов проти-
воположных нитей ДНК в одной точке приводит к появлению
двойных (двунитевых) разрывов. Известно, что одиночные разры-
вы постоянно возникают в клетке и без всякой связи с облучением,
просто вследствие тепловой нестабильности ДНК, а также в
результате некоторых окислительных и ферментативных процес-
сов. Более того, одиночные разрывы даже необходимы: при репли-
кации ДНК молекула должна быть расплетена на участке синтеза,
для чего одна нить должна иметь возможность вращаться относи-
тельно другой, чего невозможно достичь без ее разрыва. Предпо-
лагается, однако, что при облучении возникают не только одиноч-
ные разрывы, аналогичные возникающим спонтанно, но еще по-
являются «комплексные», при которых в скелете ДНК рядом нахо-
дится сразу несколько разорванных связей; такие разрывы
репарируются хуже, чем возникающие в нормальных условиях.
Двойные разрывы образуются как при случайном пространст-
венном совпадении одиночных разрывов в противоположных ни-
тях ДНК (вероятность которого возрастает с увеличением накоп-
ленной дозы редкоионизирующего излучения), так и вследствие
одномоментного повреждения обеих нитей при выделении в дан-
ном микрообъеме клетки большого количества энергии. Даже при
действии редкоионизирующих излучений выделение энергии по
объему клетки происходит не абсолютно равномерно, а дискрет-
60
ними порциями разной величины, так что в примерно равном
объеме атомам может быть передано от нескольких элек-
трон-вольт до нескольких сот электрон-вольт. При действии плот-
ноионизирующих излучений общее число разорванных межатом-
ных связей будет таким же, однако они будут менее равномерно
распределены по длине молекулы ДНК. Общее число очагов пора-
жения будет меньшим, зато «тяжесть» (концентрация разорван-
ных межатомных связей на единицу микрообъема) каждого из них
будет больше. Таким образом, при действии плотноионизирую-
щих излучений число двойных разрывов на единицу дозы оказы-
вается выше, чем при действии редкоионизирующих видов радиа-
ции. Так как одиночные разрывы репарируются гораздо лучше,
чем двойные, тяжесть поражения клетки с увеличением доли
двойных разрывов возрастает. Именно это и служит причиной бо-
лее высокой относительной биологической эффективности (см.
гл. 10) плотноионизирующих излучений.
Разрыв межатомных связей в сахаро-фосфатном скелете ведет
к нарушению непрерывности молекулы ДНК, что препятствует
считыванию с нее генетической информации (если разрыв прихо-
дится на транскрибируемый участок генома), а также нормальной
репликации ДНК и последующему распределению генетического
материала между клетками. Разрыв скелета может сопровождаться
разрывом связей в той части молекулы дезоксирибозы, которая не
участвует в построении скелета ДНК. Такое повреждение рассмат-
ривается одновременно и как разрыв, и как повреждение нуклео-
тида.
Если в молекуле дезоксирибозы разорвана одна из связей, не
участвующих в построении скелета ДНК, то принято говорить о
повреждении нуклеотида, а если в нуклеотиде повреждена одна из
связей в пуриновом или пиримидиновом основании, то говорится
о повреждении основания (а не нуклеотида, хотя основание явля-
ется частью нуклеотида). Поврежденные основания и нуклеотиды
подвергаются дальнейшим химическим изменениям. Примером
является окисление гуанина до 8-оксогуанина. Атака ДНК высо-
коактивными радикалами воды приводит к модификации основа-
ний, например, присоединение радикала ОН* к тимину превраща-
ет его в тимингликол.
Разрывы скелета ДНК частично элиминируются самостоя-
тельно, частично с помощью систем ферментативной репарации.
Репарация не всегда заканчивается восстановлением исходной
молекулы. Вместо воссоединения разорванной связи может воз-
никнуть связь между свободными концами двух противополож-
61
ных нитей молекулы ДНК, между свободными концами в местах
разных разрывов одной и той же нити ДНК и даже между свобод-
ными концами разных молекул ДНК. Такое разнообразие новых
связей является следствием того, что нити ДНК в ядре упакованы
весьма плотно. Неправильное воссоединение разрывов приводит
к возникновению хромосомных перестроек (аберраций, см. гл. 7).
Разрывы молекулы ДНК и окружающих ее белков при неправиль-
ном воссоединении приводят к образованию ДНК-белковых сши-
вок.
Неверная репарация оснований, а также их химическая моди-
фикация ведет к еще одному дефекту молекулы — появлению так
называемых неспаренных (англ.— mismatch) оснований. В молеку-
ле ДНК в норме существуют только две пары комплементарных
оснований — аденин-тимин и гуанин-цитозин. Замена одного из
оснований каждой пары ведет к изменению генетического кода.
Выше говорилось о появлении в молекуле 8-оксогуанина вследст-
вие окисления гуанина. Во время репликации ДНК в синтезируе-
мой цепи вместо комплементарного к гуанину цитозина напротив
8-оксогуанина будет вставлен аденин. При синтезе информацион-
ной РНК неверное основание приведет к неправильной кодировке
и последующему включению в белковую молекулу ошибочного
аминокислотного остатка. Помимо этого, некомплементарное ос-
нование меняет геометрию молекулы ДНК.
Некомплементарные основания образуются не только в
результате облучения, но возникают и спонтанно как дефекты
сложного процесса репликации ДНК. Поэтому системы репара-
ции ДНК всегда активно работают в клетке, вне какой-либо связи
с воздействием ионизирующей радиации. Однако облучение уве-
личивает как общее количество дефектов, так и создает пораже-
ния, которые по количеству на единицу длины молекулы превос-
ходят повреждения, возникающие в нормальных условиях.
При воздействии редкоионизирующего излучения в дозе 2 Гр,
вызывающем гибель от 10 до 90% клеток разных тканей человека, в
ДНК одной клетки образуется около 2000 однонитевых и 80 двуни-
тевых разрывов, повреждается 1000 оснований и формируется 300
сшивок с белком. Именно эти поражения и лежат в основе радиа-
ционной гибели клетки, длительного нарушения эффективности
деления ее потомков и злокачественного перерождения, а в случае
воздействия на половые клетки — и генетических последствий об-
лучения родителей для потомства.
62
6.2. Репарация радиационных повреждений ДНК
Как уже упоминалось, в ДНК постоянно возникают разрывы
межатомных связей, так что само существование клетки было бы
невозможным, если бы она не обладала ферментативными систе-
мами репарации ДНК. Открытие и детальное изучение этих сис-
тем было проведено в радиобиологических исследованиях, что
явилось серьезным вкладом радиобиологии в молекулярную био-
логию.
В настоящее время о работе этих систем известно довольно
много, включая строение многих генов, кодирующих белки, осу-
ществляющие репарацию. Основным источником сведений о ре-
парации отдельных видов повреждений ДНК стали эксперименты
на микроорганизмах. Выводы этих работ были проверены на клет-
ках лабораторных животных, в том числе клетках, мутантных по
различным генам репаративных белков, а также на клетках, полу-
ченных от лиц, отличающихся повышенной чувствительностью к
действию ионизирующей радиации.
6.2.1. ЭКСЦИЗИОННАЯ РЕПАРАЦИЯ ПОВРЕЖДЕННЫХ
И НЕСПАРЕННЫХ ОСНОВАНИЙ И НУКЛЕОТИДОВ
При эксцизионной репарации поврежденных или измененных
(неспаренных) оснований первым шагом является их удаление
ДНК-гликозилазами. Образовавшаяся брешь должна быть запол-
нена идентичным основанием, однако в клетке нет фермента, ко-
торый мог бы это сделать. Присоединить основание к дезоксири-
бозе, уже находящейся в цепи ДНК, также невозможно. Дело в
том, что в клетке синтез цепи ДНК сразу идет с использованием
более крупных строительных элементов — фосфорилированных
нуклеотидов, состоящих из основания, дезоксирибозы и трех ос-
татков фосфорной кислоты (два из которых отщепляются во время
синтеза). Таким образом, заполнить брешь надо не основанием, а
нуклеотидом, но чтобы его вставить, надо освободить для него
место, удалив дезоксирибозу из цепи. Эта операция выполняется в
два этапа двумя ферментами — нить ДНК разрезается ДНК-эндо-
нуклеазой выше и ниже места повреждения, а затем брешь расши-
ряется примерно на 30 оснований фосфодиэстеразой (разрушаю-
щей эфирные связи между дезоксирибозой и остатками фосфор-
ной кислоты). Расширение бреши необходимо для работы
ДНК-полимераз, которые способны наращивать нить ДНК с пра-
вильной последовательностью оснований, используя в качестве
63
iiiiiiirdiiiiimiiuiiii
Удаление
гликозидазой
Расплетание
геликазой
ши । min 111
1111^1111111Г
11111111J11111
b
Разрезание
эндонуклеазой
Разрезание
эндонуклеазой
11|/\тГТТГГГ
111II11П11III I
1
Полимеразная
застройка
Полимеразная
застройка
11111111 к11111*11111111111П1 ПТ
Воссоединение
лигазой
Воссоединение
лигазой
llllllllllllllllllllllllllllllll
Эксцизионная
репарация
оснований
1
Эксцизионная
репарация
нуклеотидов
2
Рис. 6.3. Схема эксцизионной репарации поврежденных и неспаренных
оснований и нуклеотидов ДНК:
репарация ДНК в случае повреждения небольшого числа (7) и большого числа (2)
оснований (нуклеотидов)
матрицы противоположную, интактную нить. Затем вновь синте-
зированная часть цепи своим вторым концом соединяется с
остальной частью нити ДНК-лигазами (рис. 6.3).
Практически так же протекает и репарация поврежденных
нуклеотидов, только она начинается сразу с действия ДНК-эндо-
нуклеазы.
Если одно поврежденное основание или нуклеотид находятся
вблизи другого поврежденного основания или однонитевого раз-
рыва, то система репарации дает сбой. Либо гликозидазы не могут
удалить два близко расположенных поврежденных основания,
64
либо ошибка возникает на следующем этапе — разрез противопо-
ложной нити ДНК эндонуклеазой приводит к формированию дву-
нитевого разрыва, репарация которого, как говорилось выше, про-
ходит с определенными ошибками.
6.2.2. РЕПАРАЦИЯ ОДИНОЧНЫХ И ДВОЙНЫХ РАЗРЫВОВ ДНК
Разрывы сахаро-фосфатного скелета молекул ДНК выявляют-
ся разными методами, наиболее демонстративным из которых яв-
ляется анализ распределения ДНК при центрифугировании в гра-
диенте концентрации сахарозы. Чем больше в ДНК двойных раз-
рывов, тем короче ее фрагменты, тем меньше их седиментацион-
ная подвижность и тем выше они будут находиться в градиенте
после центрифугирования. Центрифугирование в так называемой
нейтральной (по величине pH) сахарозе выявляет только двойные
разрывы ДНК. Разрывы лишь одной из нитей ДНК при этом не
выявляются, так как оба фрагмента разорванной нити связаны с
неповрежденной комплементарной нитью и оседают как единое
целое. Для выявления одиночных разрывов ДНК должна быть рас-
плетена на одиночные нити (этот процесс называется денатураци-
ей ДНК). Достигается это подщелачиванием среды, что приводит
к разрыву водородных связей между комплементарными основа-
ниями. При помещении ДНК в градиент сахарозы, приготовлен-
ный с добавлением щелочи, происходит денатурация ДНК, и каж-
дая из нитей разделяется на фрагменты уже по местам одиночных
разрывов. Профиль распределения ДНК по седиментационной
подвижности в этом случае определяется числом одиночных раз-
рывов. При центрифугировании ДНК, выделенной из клеток сра-
зу после облучения, в нейтральном и щелочном градиенте опреде-
ляется степень ее радиационного поражения; выделение ДНК че-
рез разные сроки после облучения позволяет оценить динамику
элиминации одиночных и двойных разрывов (принято говорить о
«воссоединении» разрывов ДНК).
Простые одиночные разрывы ДНК элиминируются ДНК-ли-
газами, восстанавливающими связи между атомами сахаро-фос-
фатного скелета. Лигазы — ферменты, которые постоянно восста-
навливают связи в скелете ДНК, рвущиеся в результате тепловых
процессов или атаки ДНК радикалами, образующимися в процес-
се нормального метаболизма. При воздействии излучений часть
одиночных разрывов сопровождается более глубоким поврежде-
нием дезоксирибозного кольца и/или потерей основания. В этом
случае воссоздание непрерывной нити ДНК производйтся уже не
65
Двунитевой разрыв
llillllllllll irilliililiiiiii
Процессинг
конца разрыва
IIIIII IIIIIII
Процессинг
конца разрыва
1111
Воссоеди-
нение
лигазой
1
IIIIIIIIIIII
Включение
гомологического
участка
без повреждения
Полимеразная
застройка
Воссоединение
лигазой
(рекомбинация)
1111111IIII111
2
Рис. 6.4. Схема репарации двойных разрывов ДНК за счет негомологичного
воссоединения концов (/) и путем гомологичной рекомбинации (2)
ДНК-лигазами, а идет по более сложной схеме — механизму экс-
цизионной репарации нуклеотидов.
Репарация одиночных разрывов ДНК является эффективным
и быстропротекающим процессом.
Репарация двойных разрывов ДНК является более сложной
для клетки и проходит с меньшей эффективностью и большим
числом ошибок. Репарация осуществляется двумя путями — за
счет негомологичного воссоединения концов и методом гомоло-
гичной рекомбинации (рис. 6.4). При негомологичном воссоеди-
нении концов две части каждой из разорванных нитей ДНК воссо-
единяются лигазами. Этот вид репарации двойных разрывов идет
на всех стадиях цикла, но он недостаточно эффективен в плане
восстановления непрерывности нити и, кроме того, приводит к
66
неправильному сращению нитей, следствием чего являются хро-
мосомные перестройки.
Репарация путем гомологичной рекомбинации в основном
происходит при облучении клетки в конце 5-периода и в периоде
G2, т.е. при разрыве той части молекулы ДНК, которая уже репли-
цировалась, так что для нее имеется неповрежденный аналог. Вме-
сте с тем может использоваться и неповрежденная другая молекула
ДНК, имеющая гомологичную последовательность оснований.
Участок, используемый для рекомбинации, должен иметь не ме-
нее двухсот пар нуклеотидов, располагающихся в той же последо-
вательности, как у ДНК вблизи сайта двойного разрыва. При го-
мологичной рекомбинации один конец разорванной нити ДНК
встраивается в неповрежденный гомолог, на котором, как на мат-
рице, проходит синтез недостающих участков нитей ДНК. Новые
части затем «подшиваются» лигазами к основной части молекулы
ДНК.
В условиях плотной пространственной упаковки молекул ДН К
в клетке (см. рис. 6.2) неверная репарация разрывов молекулы
приводит не к воссоединению оторванных друг от друга фрагмен-
тов ДНК, а к пересортировке (транслокации) участков ДНК по ее
длине, соединению двух различных молекул, относящихся к раз-
ным хромосомам (образованию мостов), и ряду других хроматид-
ных и хромосомных аберраций. Отсутствие репарации приводит к
отделению участка ДНК от основной молекулы — образованию
ацентрического фрагмента. Эти нарушения строения ДНК будут
рассмотрены на морфологическом уровне в гл. 7.
Приведенные данные о механизме репарации различных ви-
дов повреждения ДНК описывают только ее основные этапы. На
самом деле эти процессы проходят с участием большего количест-
ва ферментов. Так, в эксцизионной репарации от момента распо-
знавания повреждения и до окончания процесса уже установлено
участие, по крайней мере, 13 ферментов. Неудивительно, что ра-
бота столь сложной системы не может быть полностью эффектив-
ной как в плане попыток удаления всех нанесенных ДНК повреж-
дений, так и в отношении качества конечного продукта.
Ясно, что чем выше доза радиации, тем больше вероятность
сохранения повреждений, а потому последствия облучения боль-
ше сказываются на жизнедеятельности клетки. Вместе с тем для
некоторых видов клеток в диапазоне низких уровней (0,1 —0,5 Гр)
установлены факты большего снижения выживаемости, чем при
облучении в более высоких (на несколько десятых грея) дозах, что
связывают с нечувствительностью репаративных систем клетки к
67
совсем малым повреждениям ДНК. Предполагается, что в таких
клетках работа репаративных систем нуждается в индукции, кото-
рая происходит после накопления в ДНК определенного количе-
ства повреждений.
В целом вопросы восстановления ДНК остаются недостаточно
изученными. Очень мало известно, например, о взаимодействии
ферментных систем, участвующих в транскрипции РНК на ДНК,
репликации ДНК и репарации ее радиационных повреждений.
Изучение эффективности репарации различных видов поврежде-
ний ДНК в широком диапазоне доз, которым подвергается чело-
век, отдолей до десятков грей, является важной задачей радиобио-
логии.
6.3. Радиационные повреждения ДНК и задержка
прохождения клеточного цикла
Состояние ДНК играет определяющую роль в клеточном цик-
ле и его регуляции, поэтому молекулярно-биологическая сторона
такого важного явления, как задержка клеточного деления, будет
рассмотрена в данной главе, а его феноменология — в следующей,
вместе с другими проявлениями лучевых реакций клеток.
Жизненный цикл клетки, период от одного деления до друго-
го, подразделяется на четыре фазы: митоз (М), период синтеза
ДНК (б'-период), предсинтетический период (Glt от англ, gap —
разрыв, под которым понимается перерыв между видимым в мик-
роскоп митозом и определяемым с помощью авторадиографии пе-
риодом синтеза ДНК) и постсинтетический период (G^ между
окончанием синтеза ДНК и вступлением клетки в митоз. Схема ге-
нерационного цикла представлена на рис. 6.5.
Общая длительность цикла культивируемых in vitro опухолевых
клеток человека, с которыми проводится основная масса радио-
Сверочная Сверочная
точка точка
М\--------* yi — । ^ > । М
I G1 I
<?о--
Рис. 6.5. Схема митотического цикла:
М— митоз; <7| — предсинтетический (по отношению к синтезу ДНК) период; S— ста-
дия синтеза ДНК; G2 — постсинтетический период; Go — период покоя
68
биологических экспериментов, составляет около 24 ч, при дли-
тельности периода G} « 10 ч, S~ 8 ч, G2» 5 ч и М — 1ч. Клетки опу-
холей человека лимфоидного происхождения могут иметь цикл
короче 10 ч. У клеток крипт кишечного эпителия мыши длитель-
ность митотического, или, как его еще называют, генерационного
цикла составляет примерно 19 ч, период длится ~9,5 ч, У-пери-
од — 7,5 ч, а период G2 и митоз — примерно по 1 ч. У многих кле-
ток грызунов митотический цикл существенно короче и составля-
ет 7—12 ч.
Быстро делящиеся клетки, особенно стволовые, имеют укоро-
ченный период б\, в то время как дифференцированные клетки
имеют столь длинный период б\, что его обозначают как бои назы-
вают стадией покоя. Иногда клетки останавливаются в продвиже-
нии по циклу в фазе G2, и тогда стадия покоя определяется как G2 0.
В медленно обновляющихся тканях большинство клеток нахо-
дится в б0-периоде, т. е. периоде покоя; его длительность состав-
ляет недели, месяцы и даже годы (например, клеток ЦНС). «По-
коящиеся» клетки — это резерв репопуляции, они переходят к
синтезу ДНК и делению в случае гибели от различных причин час-
ти клеточного пула. Таков, например, механизм посттравматиче-
ской регенерации тканей (см. гл. 13) или возобновления роста опу-
холи после ее облучения (см. гл. 21).
Продвижение клетки по циклу определяется активацией по-
следовательно сменяющих друг друга циклинзависимых ки-
наз — ферментов, фосфорилирующих аминокислотные остатки в
белках и тем самым меняющих их конформацию и энзиматиче-
скую активность. Каждая циклинзависимая киназа состоит из
собственно каталитической единицы, обозначаемой как Cdk с оп-
ределенным номером, и регуляторной субъединицы — одного из
циклинов. Уровень экспрессии циклинов и, в несколько меньшей
степени, каталитической единицы киназы, меняется по мере про-
движения клетки по циклу. Для перехода от одной стадии цикла к
другой необходимо образование нового комплекса каталитиче-
ской единицы с одним из циклинов, а также фосфорилирование
определенных аминокислотных остатков (прежде всего, треони-
на) в ее молекуле. Негативная регуляция продвижения клетки по
фазам цикла осуществляется ингибиторами циклинзависимых
киназ — белками семейств 1пк4 и Cip/Kip. После выполнения сво-
ей функции циклинзависимые киназы инактивируются вследст-
вие распада циклина.
В клеточном цикле имеется несколько так называемых свероч-
Ных точек, «чекпойнтов» (англ, check point — пост контроля на
69
границе), при прохождении которых ферментативные системы
проверяют ДНК на повреждения, и в случае их выявления активи-
руют ингибиторы циклинзависимых киназ, что замедляет переход
клеток из одной фазы в другую. Вероятно, замедление перехода
дает больше возможности для репарации повреждений ДНК, воз-
никающих в процессе нормальной жизнедеятельности клетки.
При нанесении клетке значительного количества повреждений
эта система также приводит к задержке прохождения цикла, но,
по-видимому, не может обеспечить необходимый уровень восста-
новления. Блок в прохождении цикла нагляднее всего проявляет-
ся в виде задержки наступления первого постлучевого митоза.
Фиксация поведения облученных клеток с помощью специальных
видов видеосъемки, рассмотренных в главе 7, показывает, однако,
что при одной и той же дозе облучения клетки с длительной за-
держкой продвижения по циклу (более поздним наступлением
митоза) впоследствии погибают с большей вероятностью, чем
клетки с меньшей задержкой.
6.4. Механизм индукции и реализации
программируемой смерти клетки (апоптоза)
Еще одним следствием повреждения молекул ДНК является
включение процесса программируемой клеточной смерти — апоп-
тоза. Многие виды клеток после облучения погибают как по апоп-
тотическому, так и по некротическому пути, но ряд клеток, прежде
всего лимфоидного происхождения, погибает в основном путем
апоптоза. Клетки лимфоидного происхождения значительно бо-
лее радиочувствительны, чем клетки любого другого происхожде-
ния. Их более ранняя гибель и высокая радиочувствительность
объясняются запуском механизма программируемой смерти при
таком уровне поражения ДНК, который сам по себе приводит
клетку к гибели с гораздо меньшей вероятностью.
Апоптотическая смерть клетки в принципе является нормаль-
ным для организма процессом, участвующим в онтогенезе, диф-
ференцировке, реакции на генотоксические внешние воздейст-
вия. Апоптотическая смерть — один из наиболее важных способов
сохранения организмом своего гомеостаза, роль которого особен-
но велика в противодействии злокачественному перерождению.
Именно путем апоптоза происходит удаление трансформирован-
ных клеток. В клетке существует механизм выявления нарушений
70
в структуре ДНК, сопряженный с выдачей сигнала на систему ее
разрушения. Так работает опухолевый супрессор, белок р53, про-
дукт гена р53, который воспринимает информацию о поврежде-
нии молекулы ДНК и затем активирует каскад ферментативных
реакций внутриклеточной трансдукции сигналов апоптоза, запус-
кающих ферменты, разрушающие определенные (но не все) кле-
точные структуры. Нарушение работы гена р53 приводит к повы-
шению вероятности малигнизации клетки.
На молекулярном уровне выделяют три стадии апоптоза — ста-
дию выявления нарушений в структуре клеточных компонентов и
индукции сигнала к апоптотической смерти, стадию «принятия
решения» и стадию «исполнения приговора». Сигналом к индук-
ции апоптоза служит либо повреждение ДНК (обнаруживаемое с
участием белка р53), либо повреждение митохондриальных мем-
бран, ведущее к выходу из митохондрий в цитоплазму цитохрома
С. Выход цитохрома С обнаруживается белком Apaf-1. Сигнал к
апоптозу могут давать также внеклеточные домены трансмембран-
ных белков суперсемейства TNF — подобных рецепторов (TNF —
от англ, tumor necrosis factors — факторы некроза опухолей).
На второй стадии процесса действует несколько про- и анти-
апоптотических модуляторов, и сигнал к апоптозу может быть за-
блокирован. Если трансдукция сигнала не прервана, то иницииру-
ется третья, завершающая стадия апоптотической гибели клет-
ки — активируются эффекторные («киллерные», «казнящие»)
каспазы. Каспазы — это цистеиновые протеиназы, расщепляю-
щие белки по остаткам аспарагиновой кислоты. В качестве эффек-
торных каспаз выступают каспазы 3, 6 и 7, а субстратом являются
ингибиторы нуклеаз, ядерные и цитоскелетные белки. Распад ин-
гибиторов приводит к активации нуклеаз и расщеплению ДНК
сначала на высокомолекулярные фрагменты, затем к межнуклео-
сомальной фрагментации ДНК (см. рис. 6.2, б), ее распаду на мел-
кие фрагменты, кратные 185 парам оснований. Хроматин апопто-
тической клетки конденсируется по периферии ядра. Далее про-
исходит фрагментация ядерной мембраны.
Клеточная мембрана в процессе развития апоптоза образует
быстро возникающие и исчезающие выпячивания, так называе-
мые блебы (от англ, bleb — волдырь). Затем клетка округляется, а
через некоторое время распадается на «апоптозные тела», которые
содержат хроматин, митохондрии и лизосомы и окружены остат-
ками клеточной мембраны. Однако мембрана в апоптотических
71
телах как бы вывернута наизнанку — на ее внешней поверхности
находятся молекулы фосфатидилсерина, которые в живой клетке
всегда находятся на внутренней поверхности. Фосфатидилсерин
на внешней стороне мембраны служит специфическим маркером
клетки, погибающей по апоптотическому пути, и участвует в адге-
зии апоптозныхтел на поверхности макрофагов, эпителиальных, а
в злокачественных новообразованиях — окружающих клеток, ко-
торые затем их фагоцитируют и переваривают. При апоптотиче-
ском распаде клетки отсутствует излияние цитозоля в окружаю-
щую среду. Таким образом, во внешнюю среду не выходят лизосо-
мальные ферменты, благодаря чему гибнущие по этому пути клет-
ки не вызывают в ткани воспалительной реакции. Заметим, что
определение фосфатидилсерина на поверхности клетки является
основой одного из методов выявления апоптотических клеток.
Считается, что утеря клеткой апоптотического потенциала яв-
ляется одной из предпосылок злокачественного перерождения.
Наиболее часто этому способствует выключение гена р53. Тем не
менее у многих злокачественных клеток лимфоидного происхож-
дения, равно как и части малигнизированных клеток другого гис-
тогенеза, облучение приводит к гибели именно по апоптотическо-
му пути, проявление которого на клеточном уровне будет описано
в следующей главе.
Предполагается, что гибель по апоптотическому пути может
происходить при повреждениях ДНК, не являющихся препятстви-
ем к жизнедеятельности клетки. Основанием к такому выводу слу-
жит судьба лимфоидных клеток, погибающих по апоптотическому
пути при более низких дозах, чем клетки, в основном погибающие
по некротическому пути. Некротический путь гибели реализуется
при уровне поражений, несовместимых с жизнедеятельностью
клетки. Пока не ясно, связана ли разная эффективность выявле-
ния повреждений ДНК с различием в индукции или в осуществле-
нии апоптоза.
При апоптозе ДНК распадается на строго определенные фраг-
менты, при некрозе — на участки различной длины. При некрозе
ядерная и клеточная мембраны разрушаются на самых ранних эта-
пах гибели, при апоптозе даже апоптозные тела окружены мембра-
нами. Внутриклеточные органеллы сохраняются и видны в апоп-
тотических телах, при некрозе они полностью разрушаются. Ин-
гибирование синтеза АТФ, т. е. лишение клетки энергетического
потенциала, препятствует развитию апоптоза, но не влияет на нек-
ротические процессы.
72
РЕЗЮМЕ
• Основной молекулярной мишенью действия ионизирую-
щей радиации в клетке является ДНК. В клетке человека
46 хромосом, в каждой из которых находится одна молекула
ДНК длиной от 1,7до8,5мм. Общая длина ДНК в клетке чело-
века — 2 м.
• Поражение ДНК соматических клеток лежит в основе ра-
диационной гибели самой облученной клетки, а также дли-
тельного нарушения деления ее потомков и их злокачествен-
ного перерождения, а при поражении ДНК зародышевых кле-
ток — и генетических последствий в потомстве.
• Облучение в дозе 2 Гр вызывает утрату способности к не-
ограниченному делению у 10—90% клеток (такова вариабель-
ность радиочувствительности клеток различных нормальных
тканей и злокачественных опухолей). При этой дозе в ДНК од-
ной клетки повреждаются около 1000 оснований, образуются
2000 однонитевых и 80 двунитевых разрывов, а также формиру-
ются 300 сшивок с белком.
• В клетке имеются энзиматические системы репарации
ДНК. Они осуществляют выщепление и замену поврежденных
оснований и нуклеотидов, а также репарацию однонитевых
разрывов ДНК.
• Двунитевые разрывы ДНК, возникающие вследствие од-
ного акта ионизации, захватывающего обе цепи ДНК, а также
появляющиеся за счет совпадения одиночных разрывов в про-
тивоположных нитях, репарируются менее эффективно и с
ббльшим числом ошибок, чем однонитевые разрывы.
• Неотрепарированные или ошибочно репарированные
повреждения приводят к снижению клоногенной активности
клетки (способности клетки к неограниченному делению с об-
разованием жизнеспособных потомков), аберрациям хромо-
сом и различного рода мутациям.
• Нарушение структуры молекулы ДНК выявляется при
прохождении клеткой сверочных точек, расположенных в пе-
риодах G{ и G2. При обнаружении структурных нарушений
клетка замедляет продвижение по циклу. Предполагается, что
увеличение времени до момента деления позволяет клетке бо-
лее полно восстановить нативную структуру ДНК.
• В клетках лимфоидного происхождения, а также у части
клеток другого генеза обнаружение специальными белками
73
структурных нарушений ДНК или мембран митохондрий ини-
циирует каскад биохимических реакций, ведущих к распаду
ДНК и остальных компонентов клетки на мелкие фрагменты.
Это явление носит название апоптоза, или программируемой
гибели клеток.
• Биологический смысл программируемой гибели, которая
в определенном смысле является «актом самопожертвования»,
состоит в недопущении размножения клеток с ошибками в ге-
нетическом аппарате.
7Г Л А В A
ПРОЯВЛЕНИЕ ЛУЧЕВОГО ПОРАЖЕНИЯ
НА УРОВНЕ КЛЕТКИ
Радиационная задержка клеточного деления
Возникновение хроматидных и хромосомных аберрации и мик-
роядер
Клоногенный потенциал клетки и кривые выживаемости
Построение кривых доза — эффект по экспериментальным точ-
кам с использованием моделей лучевого поражения
Особенности кривых доза — эффект для некоторых радиорези-
стентных клеток в области малых доз излучения. Динамика кле-
точной гибели
Апоптоз и некроз. «Коммунальный» эффект
Повышенная гибель потомков облученной клетки и генетиче-
ская нестабильность
Радиационные нарушения ДНК столь многообразны по своей
природе и величине, что на клеточном уровне они проявляются в
самые разные сроки, начиная от нескольких часов и кончая мно-
гими годами после воздействия. Порядок их рассмотрения в дан-
ной главе выбран исходя в основном из хронологического прин-
ципа, по времени наступления после облучения клетки.
7.1. Радиационная задержка клеточного деления
Снижение числа делящихся клеток после облучения было за-
мечено уже вскоре после открытия рентгеновских лучей, что и по-
служило одним из оснований к их применению для подавления
опухолевого роста. Задержка в наступлении очередного деления
наблюдается почти у всех клеток облучаемой популяции, причем
ее длительность зависит от дозы ионизирующего излучения.
Первые количественные данные по этому вопросу были полу-
чены на клетках млекопитающих, культивируемых in vitro, что ста-
ло возможным в широких масштабах в пятидесятые годы XX в. В
начале 60-х появились методы синхронизации клеток, под кото-
рой понимают накопление клеток в одной из фаз генерационного
Цикла. Один из таких методов заключается во введении в культу-
ральную среду веществ, препятствующих синтезу ДНК, так что
7S
Рис. 7.1. Сдвиг максимума митотической активности клеток почки человека
при облучении в середине Л'-периода (Дж.Ф. Скайф, 1969):
Стрелками показан сдвиг пика волны митозов при воздействии в указанных вверху до-
зах (Гр)
клетки, находившиеся в этот момент в 5-периоде, останавливают-
ся в продвижении по циклу, а остальные доходят до 5-периода и
накапливаются в его начале. После удаления ингибитора (снятия
«блока») клетки относительно синхронно начинают двигаться по
циклу.
Дж.Ф. Скайф изучил действие облучения на прохождение ге-
нерационного цикла клетками почки человека, синхронизирован-
ными в 5-периоде. Облучение приводило к задержке в наступле-
нии волны митотической активности. У необлученных клеток ми-
тозы начинали появляться спустя 6 ч после снятия синхронизи-
рующего блока, а их максимум приходился на 9 ч. После
облучения клеток максимум митотической активности сдвигался
на более позднее время пропорционально поглощенной дозе, при
этом снижалась и величина максимума митотической активности
(рис. 7.1). Пострадиационная задержка митозов при дозе 5 Гр дос-
тигала 7 ч (сдвиг пика митозов с 10 до 17 ч после снятия блока).
В дальнейшем было установлено, что длительность задержки
деления у некоторых видов клеток меняется в зависимости от ста-
дии клеточною цикла, в которой они находились при облучении, у
других она относительна постоянна при облучении во время всей
интерфазы.
76
Появившиеся в последние годы возможности длительной ви-
деосъемки клеток с компьютерным анализом судьбы нескольких
поколений ее потомков позволили получить новые данные о за-
держке клеточного деления, а также о пути и динамике гибели кле-
ток после облучения.
К. Чу и соавторы в лаборатории профессора В. Дюи провели
наблюдение за 231 клеткой рака мочевого пузыря человека линии
EJ30- 75 в течение нескольких генерационных циклов как до облу-
чения, так и после него. Поэтому для каждой клетки было извест-
но, за какое время до облучения она закончила деление, и через
сколько часов после воздействия она должна была бы войти в оче-
редной митоз. Генерационный цикл этих клеток составляет
19 ± 2,5 ч, из которых на стадию G{ приходится 3—10 ч, на S— 7—8 ч
и на G2 — от 2 до 5 ч. Клетки были облучены в дозе 6 Гр.
На рис. 7.2 представлены результаты двух экспериментов, обо-
значенных соответственно треугольниками и кружками, в кото-
рых клетки были облучены в дозе 6 Гр. Светлые значки относятся к
клеткам, впоследствии утратившим способность к размножению,
темные — к клеткам, сохранившим клоногенный потенциал. На
кривых представлены результаты анализа данных видеосъемки
Возраст клетки в момент облучения, ч
Рис. 7.2. Задержка в наступлении митоза после облучения клеток
карциномы мочевого пузыря человека линии EJ30-15 в дозе 6 Гр в разное
время после предыдущего деления (К. Чу и др., 2002)
77
клеток до и после облучения, а также видеосъемки необлученных
клеток, растущих в тех же культуральных флаконах.
Линия контроля соединяет точки 19,5 ч на оси абсцисс и орди-
нат, соответствующие средней длительности цикла необлученных
клеток. Величина задержки в наступлении митоза — расстояние
по вертикали между кривыми для облученных клеток и прямой для
интактных клеток.
Сохранили способность к делению в ряду нескольких поколе-
ний всего 12 облученных клеток, потомство которых образовало
колонии, состоящие из более чем 50 клеток каждая (колониеобра-
зование как критерий выживаемости клеток рассматривается в
разделе 7.3). В этой группе клеток задержка в прохождении цикла
была относительно небольшая, они вошли в деление через 17—22 ч
после предыдущего. У остальных клеток, которые в дальнейшем
погибли, облучение привело к значительной задержке наступле-
ния первого митоза. У клеток, облученных в периоде С,, задержка
митоза составила ~ 7 ч, в поздней 5- и (?2-фазе она достигла 20—25 ч;
наибольшую задержку испытывали клетки, подвергшиеся облуче-
нию в середине б'-периода — в среднем она была равна 35 ч. Часть
клеток погибла в интерфазе, причем не по апоптотическому пути,
который ранее часто связывали с интерфазной гибелью клеток, а
по некротическому.
В той же лаборатории было показано, что после облучения эм-
бриональных фибробластов крыс, имеющих цикл продолжитель-
ностью 11 ± 0,3 ч, облучение в дозе 4 Гр вызвало трехчасовую за-
держку в наступлении деления, независимо от того, в какой фазе
цикла находилась клетка в момент воздействия. При дозе 9,5 Гр за-
держка возросла, но всего на 1 ч, при этом ее длительность также
осталась независимой от фазы цикла.
У клеток мышиной лимфомы L5178Y-S и клеток лимфомы че-
ловека MOLT-4, генерационный цикл которых равен соответст-
венно 7 и 9,5 ч, облучение в дозе 4 Гр привело к удлинению цикла в
1,5—2 раза. Особенно сильно увеличилась длительность постреп-
ликативного периода G2.
Клетки мышиной лимфомы линии ST4 после облучения в дозе
2,5 и 4 Гр погибали по апоптотическому пути в первые 2 ч после
воздействия, так что по отношению к ним о задержке в прохожде-
нии цикла говорить не приходится.
Таким образом, различным видам клеток свойственны совер-
шенно разные реакции на облучение, что будет подтверждено да-
лее многочисленными примерами.
78
Пока известны только отдельные факторы, ответственные за
задержку в прохождении клеточного цикла. Как говорилось в пре-
дыдущей главе, существенная роль отводится системе обнаруже-
ния дефектов ДНК в сверочных точках цикла во время прохожде-
ния клеткой периодов (?, и G2 Раньше считалось, что задержка в
продвижении по циклу дает клетке больше времени для репарации
ДНК перед б'-фазой или митозом, когда целостность молекулы
ДНК особенно значима для нормальной жизнедеятельности. Од-
нако данные о более длительной задержке в наступлении митоза у
погибающих впоследствии клеток по сравнению с сохраняющими
клоногенный потенциал указывают, по-видимому, на более глу-
бокое повреждение ДНК данной клетки. Такое наблюдение сдела-
но и другими авторами, проводившими киносъемку облученных
клеток китайского хомячка линии V- 79 и мышиных фибробластов
линии L.
Причины значительной задержки деления у клеток, облучен-
ных в середине б'-фазы, неясны. Высказано лишь предположение,
что она может быть связана с переходом клетки от репликации эу-
хроматина к репликации гетерохроматина (эухроматин, состав-
ляющий около 90% ДНК клетки, транскрипционно активен и в
интерфазе находится в деконденсированном состоянии; гетеро-
хроматин транскрипционно неактивен и в интерфазном ядре на-
ходится в конденсированной форме, что различимо при световой
микроскопии). Однако изучению дифференциальной чувстви-
тельности эу— и гетерохроматина к облучению еще только начи-
нают уделять внимание, и данное предположение лишь указывает
на то, что этот вопрос поднимается в литературе.
В практическом плане, например, при планировании экспери-
ментов с определением хромосомных аберраций в облученных
клетках и выборе времени их фиксации, упрощенно принимается,
что для асинхронной популяции нелимфоидных клеток задержка
в наступлении митозов составляет 1 ч на 1 Гр дозы излучения.
7.2. Хромосомные аберрации и микроядра
Хромосомные аберрации (перестройки) являются классиче-
ским проявлением лучевого поражения клеток. Их появление
было обнаружено уже на заре радиобиологических исследований,
и их количество соответствует дозе облучения, что используется
при биологической дозиметрии. Появление аберраций отражает
образование разрывов молекулы ДНК и дефекты ее репарации.
79
Разрывы приводят к фрагментации хромосомы. Под фрагментом
понимают ту часть хромосомы, которая не связана с центромерой.
Центромера — это структура, расположенная в середине хромосо-
мы, за которую она притягивается к полюсу деления, иными сло-
вами, — к месту, где будет формироваться ядро будущей дочерней
клетки. Фрагмент хромосомы, не связанный с центромерой, не
притягивается к полюсу деления и распределяется между дочерни-
ми клетками случайным образом. Фрагменты хорошо видны во
время метафазы и особенно анафазы, когда все хромосомы притя-
нуты нитями веретена к полюсам деления, а фрагменты остаются
посередине клетки. После завершения деления клетки, т. е. в ин-
терфазе, фрагменты проявляются как микроядра — участки кон-
денсированной ДНК, в то время как почти вся остальная ДНК пе-
реходит в деконденсированное состояние.
Неверное воссоединение разрывов, когда при репарации про-
исходит соединение участков ДНК из разных мест одной и той же
хромосомы или разных хромосом, во время митоза проявляется в
виде хромосомных перестроек.
Аберрации изучают в клетках, находящихся в метафазе или
анафазе, когда все интактные хромосомы расходятся по полюсам
клетки, а в центре остаются фрагменты и связанные между собой
хромосомы («мосты»), которые должны были бы разойтись подо-
черним клеткам. Метафазный анализ хромосом проводят только in
vitro, а анафазный можно проводить и in vivo.
Для получения статистически значимых результатов при изу-
чении зависимости числа хромосомных перестроек от дозы излу-
чения методом метафазного анализа требуется проанализировать
хотя бы несколько десятков так называемых метафазных пласти-
нок. Классическим объектом изучения являются лимфоциты, ко-
торые запускаются в деление с помощью фитогемагглютинина,
вводимого в питательную среду. Так как лимфоциты растут во
взвеси, клетки в состоянии митоза нельзя получить стрясыванием
с подложки, как это описывалось в предыдущем разделе. Митоти-
ческие клетки накапливают введением в среду колхицина (колце-
мида) или других агентов, не дающих клетке закончить деление, но
не препятствующих конденсации хроматина в хромосомы и вступ-
лению клетки в митоз.
Однако в метафазной пластинке, в которой тесно собраны все
хромосомы, невозможно исследовать их структуру. Для рассредо-
точения хромосом клетки помещают в гипотонический раствор,
где объем клетки значительно увеличивается, так что хромосомы
расходятся друг от друга. Путем «раскапывания» клеточной сус-
80
пензии на влажное стекло хромосомы каждой клетки равномерно
распределяются на большей площади, что облегчает их детальное
изучение. Заметим, что в метафазе каждая хромосома выглядит
как буква X, в анафазе — как «галочка» (>). Левая и правая часть
буквы X (при вертикальном расположении ее длинной оси) назы-
ваются хроматидами, а после их расхождения в анафазе — хромо-
сомами. Каждая хромосома в анафазе состоит из двух плеч, назы-
ваемых, из-за обычно разной длины, коротким и длинным пле-
чом. В месте соединения плеч — в вершине «галочки», или центре
хромосомы, состоящей из двух хроматид, располагается центро-
мера (называемая кинетическим тельцем хромосомы).
При переходе клетки от метафазы к анафазе центромера делит-
ся пополам и половинки расходятся по полюсам деления, разделяя
хромосому (X) на две части, что обеспечивает равное распределе-
ние генетической информации каждой хромосомы между дочер-
ними клетками.
После образования новой клетки каждая ее хромосома содер-
жит одну молекулу ДНК. В 5-периоде молекула ДНК удваивается.
В прометафазе каждая из этих молекул упаковывается в хромати-
ду, а две «сестринские» хроматиды соединяются друг с другом цен-
тромерой, формируя метафазную хромосому.
Возникающие в клетке аберрации подразделяют на хромосом-
ные и хроматидные. Хромосомные аберрации возникают в случае,
когда клетка подверглась облучению в предсинтетической стадии
цикла или в 5-периоде, но до начала удвоения определенного
участка своего генома. При неверном воссоединении оторванных
друг от друга фрагментов ДНК такое нарушение воспроизводится
во время репликации (удвоении). Итогом является образование
дицентриков — хромосом, имеющих две центромеры, что может
сопровождаться появлением ацентрических фрагментов, хорошо
видных при сравнении метафазных пластинок облученных и необ-
лученных лимфоцитов (рис. 7.3, а и б). Обмен фрагментами между
хромосомами проявляется в виде реципрокных транслокаций (см.
рис. 7.3, в).
Хроматидные аберрации возникают в клетке, облученной уже
после завершения репликации всей ДНК или того ее участка, раз-
рыв которого и приведет к формированию аберрации. Разрыв од-
ной из хроматид проявится в виде ее укорочения и образования
ацентрического фрагмента, который будет виден при мета- или
анафазном анализе. Разрыв обеих хроматид может проявиться раз-
личным образом — образованием двух фрагментов, их слиянием в
один (принято говорить о «липкости» концов разорванных хрома-
81
б
Рис. 7.3. Аберрации, определяемые при анализе метафазных хромосом
человека (по А.Ф. Захарову и др., 1982):
а — метафазная пластинка необлученных лимфоцитов; б — метафазная пластинка,
содержащая три дицентрических хромосомы (указаны стрелками) и два парных
фрагмента; в — реципрокная транслокация и две дицентрические хромосомы (указаны
стрелками); г — кольцевая хромосома (указана стрелкой)
Продолжение рис. 7.3
тид и хромосом, что способствует образованию различных видов
перестроек, например, внутрихромосомных обменов) или соеди-
нением сестринских хроматид. На рис. 7.3, г представлена кольце-
вая хромосома, не содержащая центромер. Кольцевые хромосомы
появляются в результате внутриплечевого обмена, происходящего
на фоне так называемой интерстициальной делеции (вырезания
участка хромосомы внутри плеча с последующим соединением
концов интерстициального фрагмента). Вследствие взаимного
притяжения сестринских хроматид оба кольца обычно лежат ря-
дом и с наложением одного на другое.
В анафазе центромера хромосомы разделяется на две части, ко-
торые растягиваются веретеном деления к полюсам клетки. В слу-
чае связи хроматид «конец в конец» они вытягиваются между по-
люсами клетки, образуя «мост».
Аберрации, сопровождающиеся образованием ацентрических
фрагментов и дицентриков, получили название нестабильных, так
как приводят к гибели самой облученной клетки или ее ближай-
ших потомков из-за невозможности равномерного распределения
генетического материала между дочерними клетками. Перестрой-
ки, сопровождающиеся только перемещением участков поражен-
ных хромосом, когда весь генетический материал остается связан-
ным с центромерой и может распределяться между дочерними
клетками, относят к стабильным перестройкам, так как они могут
передаваться в ряду клеточных поколений, сохраняясь в организ-
ме в течение многих лет. Примером являются транслокации, когда
участок генома перемещается в новое для него место, но продол-
жает функционировать. Их изучение стало возможным благодаря
разработке методов дифференцированной окраски отдельных
участков хромосом. Такие методы позволяют обнаруживать, на-
пример, симметричные обмены и инверсии в клетках лиц, под-
вергшихся облучению более 50 лет тому назад в результате атом-
ных взрывов и радиационных аварий. На рис. 7.4 представлены
5 видов транслокаций, выявляемых методом так называемой
(/-дифференциальной окраски. Такие транслокации возникают
при неверном соединении участков как одной и той же хромосо-
мы, так и нескольких хромосом вследствие трех и большего числа
разрывов в геноме одной клетки.
В настоящее время одним из наиболее совершенных методов
анализа хромосомных перестроек является использование флюо-
ресцентной метки, присоединенной к фрагментам ДНК, компле-
ментарным для ДНК определенных участков генома. Для него
обычно используют английское название — FISH (от fluorescence
84
Реципрокная Перицентрическая Инсерция
транслокация инверсия
Терминальная Сложный обмен
деления
Рис. 7.4. Схема аберраций хромосом, регистрируемых методом
G-дифференциальной окраски (по А.В. Севанькаеву, 2003)
in situ hybridization}. Один из его вариантов — метод мильтиплекс-
ной дифференциальной окраски (wFISH) — позволяет окраши-
вать каждую из 24 различных хромосом человека (у человека 22
парные и 2 парные/непарные хромосомы) определенным обра-
зом, используя «библиотеку ДНК» к каждой хромосоме, в которой
ДНК помечены различными флуорохромами, число которых мо-
жет доходить до пяти. Иллюстрация радиационных перестроек
хромосом, выявляемых таким методом, нуждается, однако, в цвет-
ной печати и здесь не приводится.
Хотя есть основания считать, что ДНК интерфазных хромосом
располагается внутри ядра упорядоченным образом, образуя сис-
тему петель разной длины, прикрепленных к ядерной мембране,
пока не удалось выявить более частое образование аберраций с
участием двух определенных хромосом, что интерпретируется как
указание на отсутствие постоянной пространственной координа-
ции их местоположения в ядре.
Наиболее широко хромосомные аберрации используют для
оценки поглощенных доз при облучении человека. Тест проводят
в культуре лимфоцитов перйферической крови. Количество наи-
более хорошо различимых аберраций — дицентриков и коль-
цевых хромосом — возрастает в зависимости от дозы согласно
линейно-квадратичному закону, т.е. количество аберраций на
клетку, Y, возрастает пропорционально дозе излучения (D) плюс
квадрату дозы излучения с определенными коэффициентами
(У=аД + pD2). Квадратичная связь с дозой излучения определяет-
ся необходимостью образования двух поражений нитей ДНК, ко-
85
торые и приведут к формированию аберраций указанных видов.
При низких дозах облучения более вероятно, что оба поражения
явятся следствием одномоментного выделения энергии в двух уча-
стках ДНК, находящихся в непосредственной близости один от
другого (например, при массированной ионизации в конце пробе-
га электрона). По мере увеличения дозы возрастает число разры-
вов ДНК и соответственно вероятность их взаимодействия между
собой, которая зависит от квадрата дозы. При смертельной для че-
ловека дозе редкоионизирующих излучений 4,5—5 Гр на каждый
делящийся лимфоцит приходится в среднем одна аберрация. Ме-
тод дает возможность оценить полученную дозу, начиная с 0,25 Гр,
однако при столь малых дозах необходима очень большая стати-
стика.
Из ацентрических фрагментов хромосом, которые из-за отсут-
ствия центромер не были распределены по ядрам дочерних клеток
и остались в цитоплазме, образуются так называемые микроядра,
представляющие собой глыбки хроматина, располагающиеся в
цитоплазме интерфазной клетки. Количество микроядер на клет-
ку коррелирует с дозой излучения и также как хромосомные абер-
рации используется в качестве показателя для целей «биологиче-
ской» дозиметрии.
7.3. Утеря клеткой клоногенного потенциала.
Кривые «выживаемости»
Подсчет хромосомных аберраций или микроядер позволяет
довольно точно оценить радиочувствительность клеток, однако оба
метода весьма трудоемки. Основные данные о радиочувствительно-
сти получены путем изучения выживаемости клеток, с помощью
оценки их клоногенной способности, под которой понимается
способность клетки образовывать видимую невооруженным гла-
зом колонию. Согласно договоренности исследователей, клетка
после облучения считается «выжившей», если она образует коло-
нию, состоящую из более чем 50 клеток. Естественно, что учет вы-
живаемости проводится в сроки, достаточные для образования
крупных колоний всеми интактными клетками. Для образования
видимой глазом колонии облученная клетка должна совершить не
менее 5 полностью успешных делений, т. е. делений, в результате
которых дочерние клетки также будут способны к делению. Обыч-
но для клеток грызунов после их облучения достаточно 5—8 дней
86
роста, учет выживаемости клеток человека проводят через две не-
дели после облучения.
Заключая описание этого центрального для радиобиологии
метода оценки радиочувствительности, подчеркнем, что с его по-
мощью определяется не доля погибших после облучения клеток
(которые выходят из-под наблюдения, а потому и не могут быть
учтены), а доля выживших.
7.3.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫЖИВАЕМОСТИ КЛЕТОК IN VITRO
Метод оценки радиочувствительности, основанный на утере
способности клетки к клонообразованию, был разработан в 1956 г.
Т. Паком и П. Маркусом на примере клеток карциномы шейки
матки человека линии HeLa. И по сей день этот метод является
«золотым стандартом» количественной радиобиологии, с которым
сравнивают данные других методов оценки. Идея определения
клоногенности позднее была применена к тканям in vivo, что по-
зволило определить радиочувствительность клеток костного моз-
га, эпителия кожи и кишечника и клеток некоторых других тканей.
Рассмотрим методику определения выживаемости клеток в
культуре применительно к клеткам, растущим прикрепленными к
стенке культурального сосуда (в монослое). Сначала клетки сни-
мают со стенок раствором трипсина, часто с добавлением ЭДТА
(этилендиаминтетрауксусной кислоты), связывающей ионы каль-
ция и магния, необходимые для прикрепления клеток к подложке.
Затем полученную суспензию разбивают до одиночных клеток,
подсчитывают их концентрацию и рассевают клетки по чашкам
Петри таким образом, чтобы общее число колоний, выросших в
каждом варианте опыта, позволяло получить статистически зна-
чимый результат. Обычно на каждую экспериментальную точку
должно быть просчитано около 400 колоний, что дает оценку чис-
ла выросших колоний с ошибкой в 5%*. Чтобы такое количество
колоний могло расти, не мешая друг другу, берут по несколько ча-
1 Напомним, что точность определения вероятности событий, подчиняющих-
ся распределению Пуассона (а вероятность выживания клеток подчиняется этому
закону), устанавливается только числом подсчитанных событий — в данном случае
выросших колоний, а не числом посеянных клеток, числом взятых в опыт чашек
Петри и т. п., аналогично тому, как при определении концентрации суспензии кле-
ток их подсчетом в камере Горяева ошибка определяется исключительно числом
просчитанных клеток, а вовсе не числом просчитанных «квадратов».
87
шек Петри на точку. Чем больше доза излучения, тем больше сеют
клеток на чашку.
Облучение проводят в разное время относительно посева кле-
ток. В зависимости от задач исследования, клетки могут быть об-
лучены в монослое, в суспензии, а также в виде одиночно сидящих
через несколько часов после посева, когда они уже прикрепятся к
подложке и вступят в период активного роста. Облучение прово-
дят в серии доз обычно с интервалом между ними в 2 Гр и в диапа-
зоне до 10—20 Гр. После облучения клетки выращивают в инкуба-
торе указанное выше время, после чего выросшие колонии фикси-
руют, окрашивают и подсчитывают. Колонии, не доросшие до 50
клеток, как показывает опыт, не дорастают до учетной величины и
при значительном удлинении периода роста.
Выживаемость при каждой дозе излучения определяют как от-
ношение числа колоний, выросших в облученных чашках, к числу
колоний, выросших в контроле, с учетом, что в опыте по указан-
ной выше причине высевают больше клеток. Интактные клетки
стабильных клеточных линий в норме способны к образованию
колоний с эффективностью свыше 90%. При работе с клетками,
взятыми прямо из опухолей, приходится мириться с низкой кло-
нообразующей способностью, составляющей иногда несколько
процентов. Такая низкая эффективность клонообразования в
контроле вносит в расчеты значительную ошибку, так что наибо-
лее точные данные о радиочувствительности получены для клеток
из установившихся клеточных линий, почти все из которых имеют
опухолевое происхождение. Дело в том, что неограниченно долго
in vitro удается выращивать только клетки, подвергшиеся злокаче-
ственной трансформации, при которой происходит их имморта-
лизация (приобретение способности к неограниченному размно-
жению), а клетки здоровых тканей человека культивируют ограни-
ченное время. Правда, методами генной инженерии уже созданы
иммортализованные линии нормальных клеток человека.
Иногда для сравнения радиочувствительности большого числа
разных видов клеток используют сокращенный тест, определяю-
щий клонообразующую способность при облучении в одной
дозе — 2 Гр, соответствующей разовой дозе «стандартного» курса
лучевой терапии (гл. 21). Выживаемость после облучения в такой
дозе обозначают как SF2r, или просто SF2.
Хотя при использовании теста на клоногенную активность
клетки делятся всего на две категории — сохранившие и утеряв-
шие этот потенциал, реальная картина богата полутонами. Если
колонии, образуемые необлученными клетками, растут с одина-
88
ковой скоростью, то колонии, выросшие при делении облученных
клеток, варьируют по размеру, причем с ростом дозы вариабель-
ность увеличивается. Медленный рост колоний в основном опре-
деляется постоянной, из поколения в поколение, гибелью части
вновь образующихся клеток, о чем говорилось в предыдущем раз-
деле. Имеются данные, что повышенная вероятность гибели со-
храняется в течение 30 делений потомков облученной клетки.
Такой характер роста облученных клеток имеет разные следст-
вия применительно к опухоли и нормальным тканям. Что касается
влияния облучения на опухоли, то тест дает четкий ответ на вопрос
о том, насколько уменьшилась фракция клоногенных клеток по-
сле того или иного воздействия. Ситуация более сложная в отно-
шении нормальных тканей — клоногенный потенциал «выжив-
ших» клеток варьирует от одной клетки к другой, т. е. не все клоно-
генные клетки могут считаться равными контрольным по своим
свойствам, и их остаточное поражение, определенная «дефект-
ность», могут сохраняться в течение длительных сроков.
7.3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫЖИВАЕМОСТИ КЛЕТОК IN VIVO
В 1961 г. канадские ученые Дж. Тилл и Е. Мак-Куллох предло-
жили метод определения радиочувствительности стволовых кле-
ток гемопоэтической ткани. Они ввели клетки костного мозга в
хвостовую вену летально облученным мышам-реципиентам, у ко-
торых через неделю на селезенке появились видимые невооружен-
ным глазом колонии, состоящие из потомков введенных клеток.
Путем сравнения числа колоний, образующихся при введении
клеток от облученных в разных дозах и интактных мышей, ими
были получены типичные кривые выживания.
Этот метод, получивший название экзоколониального теста,
широко используют и в настоящее время для оценки радиочувст-
вительности гемопоэтических клеток донора. Радиочувствитель-
ность собственных стволовых гемопоэтических клеток оценивают
с помощью эндоколониалъного теста — путем подсчета числа ко-
лоний, образующихся на селезенке на 8—10-й день после облуче-
ния из мигрирующих туда клеток костного мозга самого облучен-
ного животного. Рост клеток в селезенке обеспечивается утерей ее
собственной клеточной популяции.
К настоящему времени разработаны методы оценки количест-
ва выживающих клоногенных клеток кожи и тонкого кишечника,
хряща, яичек, почечных канальцев, молочной и щитовидной же-
лез.
89
Оценка эффекта облучения по тесту колониеобразования, чис-
лу хромосомных аберраций и по тесту на образование микроядер
дает сходные результаты.
7.3.3. ФОРМАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ЛУЧЕВОГО ПОРАЖЕНИЯ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КРИВЫХ ВЫЖИВАЕМОСТИ
ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ТОЧКАМ
Кривые выживаемости обычно строят в системе полулогариф-
мических координат, откладывая по линейной оси абсцисс дозу
излучения, а по логарифмической оси ординат — фракцию или
процент выживших клеток. Соединив точки между собой, можно
сразу же получить кривую выживаемости, но ее нельзя использо-
вать для каких-либо расчетов. В радиобиологии кривая выживае-
мости строится по экспериментальным точкам с использованием
одной из моделей, которые в аналитической форме связывают глу-
бину поражения с дозой излучения. Аппроксимацию эксперимен-
тальных точек наиболее часто проводят по двум основным моде-
лям, связывающим глубину поражения с дозой излучения — по
исторически более ранней модели многих мишеней, и линей-
но-квадратичной, называемой также а, p-модели. Рассмотрение
Рис. 7.5. Кривая доза—эффект для
клеток карциномы шейки матки
человека линии HeLa после
а-облучения
этих моделей для простоты
начнем со случая воздейст-
вия на клетки плотноиони-
зирующего излучения, на-
пример а-частиц, когда экс-
периментальные точки ап-
проксимируются прямой,
проходящей через начало ко-
ординат (рис. 7.5).
В этом случае снижение
выживаемости с возрастани-
ем дозы описывается уравне-
нием вида
N = NQe~D/D\
где А—число выживших
клеток из общего их числа
Ao; D — доза излучения; DQ—
доза, при которой доля жи-
вых клеток уменьшается в
сравнении с исходной в е
90
(основание натуральных логарифмов) раз. Так, если D = Z)o, то
N/Nq = е~1 = 1/2,71 = 0,367. Таким образом, при дозе излучения,
равной Dq, выживает ~ 37%, а погибает « 63% клеток. Величина D{)
служит мерой радиочувствительности клеток и определяется по
кривой выживания как доза, при которой клоногенный потенциал
сохраняет 37% клеток от их исходного числа.
В соответствии с рассмотренным в гл. 11 принципом попада-
ний, такая зависимость эффекта от дозы формально отражает вы-
деление квантов энергии в некоторых критических структурах, ве-
роятность которого подчиняется распределению Пуассона. Наи-
более наглядным и чаще всего используемым примером такого
распределения является рас-
пределение 100 зернышек,
брошенных на доску, разли-
нованную на 100 квадратов.
При случайном характере
попадания зерен в 37 квадра-
тов не попадет ни по одному
из них. В остальные попадет
не менее чем по одному, в
некоторые — по 2,3 и так да-
лее, с уменьшающейся веро-
ятностью. Аналогично при-
веденному примеру, предпо-
лагается, что доза, при кото-
рой выжило 37% клеток, как
раз необходима и достаточна
для гибели всей популяции
при равномерном распреде-
лении между всеми клетка-
ми. Поэтому дозу, снижаю-
щую выживаемость до 37%
от исходной, называют еще
среднелетальной дозой.
При использовании ред-
коионизирующих излучений
экспериментальные точки
невозможно аппроксимиро-
вать прямой линией. Выжи-
ваемость клеток сначала
снижается медленно, но с
нарастанием дозы скорость
Рис. 7.6. Кривая выживаемости клеток
китайского хомячка линии V79 после
у-облучения: экспериментальные точки
аппроксимированы по модели многих
попаданий
91
снижения увеличивается, после чего остается постоянной (рис. 7.6).
Пологий участок кривой доза—эффект носит название плеча, бо-
лее крутой — линейного участка. Формальное объяснение такой
зависимости — необходимость выделения в мишени для ее пора-
жения нескольких порций энергии, так как при действии излуче-
ний с небольшой Л ПЭ выделения одной порции энергии недоста-
точно для поражения. С началом облучения в каждой мишени как
бы накапливается число таких порций энергии, а с момента, когда
в мишенях для поражения будет не хватать всего одной порции, за-
висимость доза—эффект станет прямолинейной. Если экстрапо-
лировать прямолинейную часть зависимости доза—эффект на
продолжение оси ординат, то точка пересечения покажет, сколько
порций энергии («ударов») надо передать мишени для ее пораже-
ния. Это «экстраполяционное» число обозначается латинской бу-
квой п.
Уравнение, с использованием которого аппроксимируются
кривые доза—эффект при действии редкоионизирующего излуче-
ния, имеет вид
N = N0-N0(l-e-D/I)uy,
где N— число выживших клеток из общего их числа АГ0; D —доза
излучения; Z)o — доза, при которой доля живых клеток уменьшает-
ся в сравнении с исходной в е раз на прямолинейном отрезке кри-
вой доза—эффект, и п — экстраполяционное число. Иногда ис-
пользуется и такой показатель, как «величина плеча» Dq, численно
равная дозе, при которой ось абсцисс пересекается с экстраполи-
рованным участком прямолинейной части дозовой кривой. Dq =
= Dg log/z. Считается, что наклон линейной части кривой доза-
эффект, характеризуемый величиной Do, отражает радиочувстви-
тельность клеток, а экстраполяционное число п — способность
клеток к восстановлению, о котором будет сказано в гл. 8.
Развитием многоударной модели поражения является модель
многих мишеней, каждая из которых для своего поражения требу-
ет нескольких «ударов». Ясно, что чем больше изменяемых пара-
метров имеется в модели, тем более сложную зависимость
доза—эффект можно аппроксимировать с ее помощью, однако это
не облегчает понимание процессов, происходящих в облученной
клетке.
В последние годы для аппроксимации экспериментальных то-
чек все чаще используют линейно-квадратичную модель. В основе
92
модели лежит представление о том, что поражение мишени, под
которой понимают ДНК, может быть двух видов — летальным и
нелетальным, однако нелетальные поражения при взаимодейст-
вии между собой превращаются в летальные. Чаще всего для на-
глядности одному из компонентов модели приписывают отраже-
ние летальных двунитевых разрывов ДНК, а второму — отражение
однонитевых разрывов, которые при совпадении в противополож-
ных нитях ДНК переходят в двунитевые. Образование таких ле-
тальных аберраций, как кольца, дицентрики и анафазные мосты
также нуждается во взаимодействии двух отдельных событий, и их
появление также должно быть пропорционально квадрату дозы.
Хотя физико-химическая суть вопроса о летальности разных
видов поражений, их взаимодействии и репарации гораздо слож-
нее, только что изложенные формальные представления наглядны
и с успехом используются для описания феноменологии клеточ-
ной гибели.
Согласно этой модели,
N = Noe~aD~^\
где N— число выживших клеток из общего их числа NQ; D — доза
излучения; аир — константы, отражающие изменяющуюся зна-
чимость каждой компоненты поражения при разных дозах. При
дозе D, равной а/p, вклад компоненты, пропорциональной дозе, и
компоненты, пропорциональной квадрату дозы, одинаков.
Особенностью аппроксимации экспериментальных точек с
использованием данной модели является постоянно возрастаю-
щий наклон кривой выживаемости в области больших доз. Во
многих случаях а,р-модель несколько лучше аппроксимирует экс-
периментальные точки, чем модель с параметрами Do и п, хотя вто-
рая модель является более наглядной и чаще используется для
сравнения показателей радиочувствительности различных клеток.
В итоге в радиобиологии используют обе модели (рис. 7.7). Боль-
шинство расчетов, например, изоэффективных режимов облуче-
ния, или моделирование процессов поражения опухолей и нор-
мальных тканей в процессе лучевой терапии проводится на осно-
вании а,р-модели. Сравнение радиочувствительности различных
клеток или ее изменения под влиянием модификаторов чаще про-
водится по параметрам Do и п.
В условиях in vivo обычно удается точно определить только
прямолинейную часть кривой доза—эффект (рис. 7.8), но аппрок-
93
Доза излучения, Гр
Рис. 7.7. Кривые доза—эффект для клеток карциномы Эрлиха мышей линии
ELD, аппроксимированные по модели многих мишеней (7) и а, р-модели (2):
коэффициенты уравнения для модели многих мишеней равны: D = 1,09 Гр, п = 8,5,
N/No= 1 -(1 - e"z>/l w)“'s; коэффициенты для линейно-квадратичной (а, Р) модели равны:
а = 0,05, р = 0,0003, N/Nv =
симация экспериментальных точек по одной из моделей также по-
зволяет получить аналитическое выражение для этой зависимо-
сти.
Рис. 7.8. Кривые доза—эффект для
стволовых клеток костного мозга (7) и
кишечника (2) мышей после
у-облучения (по А.Г. Коноплянникову,
1982):
стрелки указывают выживаемость клеток,
при которой половина животных погибает
от соответствующего синдрома
94
7.3.4. КРИВЫЕ ВЫЖИВАЕМОСТИ В ОБЛАСТИ МАЛЫХ
ДОЗ ИЗЛУЧЕНИЯ
В последнее десятилетие большое внимание исследователей
привлечено к изучению формы кривой доза—эффект в области
малых (до 0,8 Гр) доз излучения. Этот диапазон наиболее интере-
сен с позиций радиационной безопасности, так как при профес-
сиональном контакте с излучениями, а также при радиационных
авариях наибольшее число лиц подвергается воздействию именно
в этих дозах. При лучевой терапии фракционированному воздей-
ствию в таких дозах подвергаются участки нормальных тканей на
краях поля облучения, где полученная доза спадает с классических
2 Гр за фракцию до нуля. Рассматривается даже целесообразность
использования режима суперфракционирования дозы с разовыми
фракциями величиной 0,3—0,5 Гр для лечения некоторых видов
новообразований. Безусловно, знание всех вариаций формы кри-
вой доза—эффект важно с теоретических позиций, так как способ-
ствует пониманию процессов, инициируемых облучением клетки.
Обнаружено, что кривая доза—эффект у ряда радиоустойчи-
вых линий клеток на начальном участке, в зоне «плеча», с ростом
дозы снижается не плавно, а вначале очень быстро, затем следует
плато или даже наблюдается небольшой подъем выживаемости,
после чего она принимает обычный вид. На рис. 7.9 приведены
кривые выживаемости клеток глиомы линии T98G, которые в мо-
мент облучения находились в периоде Gx и G2 клеточного цикла.
Выживаемость клеток, облученных на стадии G2, при дозе 0,2 Гр
снижается до 0,7 от исходной, при дальнейшем увеличении дозы
до 0,8 Гр возрастает до 0,8 от исходной, и далее падает обычным
образом по мере увеличения дозы. Минимум и максимум выжи-
ваемости клеток, облученных в периоде G\, сдвинуты в сторону не-
сколько больших доз (минимум приходится на 0,4 Гр). У клеток в
5-фазе спада в выживаемости не было. У некоторых видов клеток
спад в выживаемости отмечен только в фазе G2.
Повышенная радиочувствительность клеток в диапазоне доз
0,2—0,5 Гр выявлена у 38 из 50 клеточных линий, полученных из
опухолей различной локализации, нормальных фибробластов и
эпителиальных клеток человека. Для объяснения такой формы до-
зовой кривой выживаемости высказано предположение об индук-
ции активности некоторых компонентов системы репарации ДНК
в клетках, которые демонстрируют эффект гиперчувствительно-
сти в области малых доз. Высокая радиочувствительность при низ-
ких дозах связывается с «молчанием» системы репарации, для
включения которой требуется переход некоего порогового уровня
95
Рис. 7.9. Кривые доза—эффект для клеток глиомы линии T98G, облученных
в фазе (?| и Gi клеточного цикла (по М. Джойнеру, 2001):
виден быстрый спад с последующим восстановлением выживаемости клеток на
начальном участке кривой доза—эффект
повреждения ДНК. Включение системы репарации сразу же сни-
жает повреждение клеток — этим объясняется существование
плато у кривой доза—эффект у части клеточных линий и даже по-
вышение выживаемости у остальных линий, демонстрирующих
эффект гиперчувствительности при низких дозах. Ход кривой вы-
живаемости при больших дозах определяет соотношение нанесен-
ных и отрепарированных повреждений ДНК. Таким образом, яв-
ление гиперчувствительности некоторых видов клеток в диапазо-
не малых доз, согласно существующим представлениям, связано с
«молчанием» некоторых репаративных систем клетки в нормаль-
ных условиях и их активацией после нанесения клетке определен-
ного количества повреждений.
Предполагается, что активированная система репарации через
несколько часов возвращается к норме. Гиперчувствительность в
96
области малых доз воспроизводится при облучении клеток с ин-
тервалом между фракциями в 3—4 ч, даже если фракционирован-
ное воздействие проводили в течение 5 дней. Если эта картина бу-
дет воспроизводиться не только в культуре клеток, но и in vivo, то
использование суперфракционированного облучения может стать
методом лечения наиболее радиорезистентных опухолей.
Данные о несколько большем влиянии малых доз излучения на
выживаемость клеток (чем предполагалось ранее) вероятно, могут
иметь отношение и к вопросам нормирования воздействия радиа-
ции на человека, которое касается именно доз этого диапазона.
Однако основой нормирования являются эпидемиологические
наблюдения, в которые к настоящему времени вовлечены боль-
шие контингенты лиц, подвергшихся облучению в широком доз-
ном диапазоне, и результаты которых не свидетельствуют в пользу
большей опасности малых доз по сравнению с более высокими
(гл. 24). Таким образом, это интересное явление нуждается в даль-
нейшем изучении, после чего и можно будет сделать вывод, внесет
ли оно коррекцию в наши представления о последствиях облуче-
ния человека.
7.4. Непосредственно наблюдаемая гибель клеток
после облучения. Апоптоз и некроз
Остановимся теперь на характере гибели клеток, проявляю-
щейся в снижении их клоногенного потенциала. Ее принято под-
разделять на два вида — апоптоз и некроз.
Апоптоз, биохимические механизмы которого были описаны в
гл. 6, при наблюдении за клетками в культуре с помощью фазокон-
трастной оптики проявляется в виде нескольких последователь-
ных стадий: ошаривании клетки, выпячивании из этого шара
участков цитоплазмы, так называемых блебов (пузырей), их пол-
ном исчезновении, прекращении движения цитоплазмы, измене-
нии светопреломления и распаде клетки на «апоптотические тель-
ца». Апоптотические тельца представляют небольшие сфериче-
ские образования, окруженные остатками клеточной мембраны и
содержащие фрагменты ДНК, а также интактные клеточные орга-
неллы. Апоптотические тельца in vitro полностью распадаются, а
in vivo утилизируются окружающими клетками, а также макрофа-
гами.
Очень четко развитие апоптоза проявляется при наблюдении
за клетками, окрашенными двумя флюоресцентными красителя-
97
ми ДНК, один из которых всегда легко проникает через клеточную
мембрану (краситель Hoechst 33324, имеющий синюю флюорес-
ценцию), а второй доходит до ДНК только после нарушения цело-
стности клеточной оболочки (пропидий йодид, флюоресцирую-
щий в красной области спектра). До начала апоптоза ядро имеет
равномерную синюю окраску, указывающую на равномерное рас-
пределение ДНК по его объему; с началом апоптотического про-
цесса наблюдается конденсация ядерного материала в синие глыб-
ки хроматина, цвет которых затем меняется с синего на розовый
вследствие нарушения целостности мембраны и поступления в
клетку йодида пропидия. Изменение цвета сопровождается воз-
растанием общей флюоресценции глыбок из-за присоединения к
ДНК сразу обоих красителей. Далее происходит распад клетки на
апоптотические тельца, в которых видна яркая флюоресценция
ДНК.
Гибель клеток по некротическому пути начинается с увеличе-
ния объема клетки и разрыва клеточной мембраны. Ядро клетки
сразу окрашивается йодидом пропидия. Разрыв мембраны проис-
ходит без ошаривания клетки. Предполагается, что именно рано
наступающее нарушение целостности клеточной мембраны при-
водит к выходу цитоплазматического материала во внеклеточное
пространство, из-за которого в организме развивается воспали-
тельная реакция (напомним, что апоптотическая гибель клеток не
сопровождается воспалением).
Клетки могут значительно различаться по времени гибели по-
сле облучения. Лимфоциты периферической крови, а также неко-
торые (но не все) клетки лимфоидного происхождения погибают в
первые часы после облучения, не доходя до деления. Большинство
других клеток погибает в течение нескольких дней после облуче-
ния, при этом некоторые из них проходят несколько делений, так
что погибают «внуки», «правнуки» и т.д. облученной клетки.
Ранее было принято подразделять гибель клетки на два вариан-
та — интерфазную, под которой понимали гибель клетки в интер-
фазе до вступления ее в первый постлучевой митоз, и репродук-
тивную, происходящую в момент деления. Интерфазную гибель
связывали с особо высокой радиочувствительностью клеток, кото-
рая свойственна клеткам лимфоидного происхождения. Счита-
лось, что по репродуктивному механизму погибают клетки иного
происхождения. В последующем интерфазную гибель до вступле-
ния клетки в первый митоз стали связывать уже не только с вре-
менным фактором, но и с определенным механизмом гибели, а
именно с апоптозом. Репродуктивную гибель связывали с некро-
98
тическим путем развития лучевого поражения, обусловленным ут-
ратой генетического материала в процессе деления клетки.
Однако сейчас уже ясно, что гибель клеток практически всегда
происходит в интерфазе, но не только перед первым постлучевым
делением, но в интерфазе после второго и последующих делений.
Причем клетки погибают в интерфазе как по апоптотическому,
так и по некротическому пути. Таким образом, в современном по-
нимании вопроса ранее широко употребляемые термины «репро-
дуктивной и интерфазной гибели» практически утратили свой
первоначальный смысл, поэтому в последующих главах термин
«интерфазная гибель» будет означать гибель клеток в первые часы
после облучения.
Гибели клеток предшествуют различные изменения в их пове-
дении, одним из которых является появление гигантских клеток, в
качестве критерия образования которых некоторые авторы уста-
новили 15-кратное увеличение занимаемой клеткой площади под-
ложки (ясно, что этот критерий выбран произвольно). Во многих
клеточных культурах всегда присутствуют гигантские клетки, но
их число обычно не превышает 1 —2%, в то время как после облуче-
ния оно возрастает в несколько раз. Различают два пути образова-
ния гигантских клеток — увеличением массы неделящейся клет-
ки, в том числе происходящем при делении ядер без деления самой
клетки, но чаще путем слияния потомков только что разделившей-
ся клетки. У облученных клеток бывает не только два, но и боль-
шее число «потомков» — у них нередко происходит мультиполяр-
ное деление, когда клетка делится на три и большее число частей.
Описанные в главе 7.1 наблюдения за клетками линии EJ30,
облученными в дозе 6 Гр, показали, что их гибель проходит в ос-
новном по некротическому пути. Показателем этого служит раз-
рыв клеточной мембраны с последующим выходом содержимого
клетки наружу. Как видно из рис. 7.10, на котором представлены
данные видеонаблюдения за этими клетками в течение 261 ч, ги-
бель и распад клетки (обозначенные символом х) наступали как в
первой интерфазе после облучения, так и при прохождении интер-
фаз между всеми 10 последующими делениями клеток. Гибели
часто предшествовало образование гигантских клеток — как за
счет деления ядер без деления клетки, продолжавшей увеличивать
свою массу, так и путем обратного слияния дочерних клеток. Сре-
ди потомков 231 облученной клетки сформировалось 105 гигант-
ских клеток, более чем десятикратно превосходящих по занимае-
мой площади необлученные клетки. Наиболее быстро, в течение
прохождения первого и второго генерационного циклов, погибали
99
Момент облучения
Время после облучения, ч
Рис. 7.10. Судьба потомков 8 клеток линии EJ30-15 (А — 1—4, Б — 1—2 и
В — 1—2) после облучения в дозе 6 Гр (по К. Чу и др. 2002):
вертикальная полоса — момент облучения.
Условные обозначения: х — гибель и распад клетки; г — образование гигантских клеток;
о — ошаривание клетки; ► — слияние дочерних клеток; м — образование многоядерной
клетки; ? — исчезновение клетки из поля наблюдения; СГ — секторальная гибель
потомком (полная гибель потомков одной из двух дочерних клеток)
клетки, облученные через 9—12 ч после митоза, когда они находи-
лись в середине 5-периода. Отсутствие гибели по апоптотическо-
му пути может быть связано с мутацией у этих клеток ТР53, из-за
чего утеряна активность белка ТР53, участвующего в запуске этого
процесса. Часть облученных клеток и их потомков погибала после
входа в митоз.
Иная картина наблюдалась при облучении мышиных клеток
лимфоидного происхождения линий ST4 и L5178Y-S и клеток
лимфобластного лейкоза человека линии MOLT-4. Для этих кле-
ток была характерна гибель по апоптотическому пути.
100
Рис. 7.11. Динамика гибели клеток линии ST4 (а) и линии L5178Y-S (6)
лимфом мышей после облучения в дозе 4 Гр (по Б. Эндлих и др., 2000:
О—для клеток ST4— начало образования блебов, для клеток L5178Y — начало
аберрантного митоза или образования блебов; L (англ. Lost — «утеря») указывает на
исчезновение фрагментов из поля наблюдения; • — момент изменения
светопреломления и распада клетки
Клетки линии ST4 после облучения в дозе 2,5 и 4 Гр погибали в
первые часы после облучения (рис. 7.11, а). Уже через 1 ч после об-
лучения клетки прекращали менять свою форму, а на мембранах
появлялись блебы, исчезавшие через 20 мин, после чего клетки
ошаривались и без признаков жизнедеятельности, только слегка
увеличиваясь в объеме, находились последующие 2—4 ч. Затем
происходил распад, который, однако, у этих клеток проходил сра-
зу, без образования апоптотических тел. Весь процесс от вхожде-
ния клетки в апоптоз до ее полного распада занимал менее 10 ч.
При снижении дозы до 1 Гр в интерфазе погибало 90% клеток, а
гибель потомков большинства оставшихся клеток проходила в
разные сроки уже после первого митоза, нЬ с точно такой же кар-
тиной апоптоза. Обратим внимание, что апоптотические тела у
этих клеток не образовывались.
Клетки L5178Y-S и MOL Г-4 демонстрировали иной характер
гибели — после облучения в дозе 4 Гр в интерфазе, до наступления
митоза, погибло 3% клеток L5178Y-S и 24% клеток MOLT-4 (см.
рис. 7.11,6). Остальные клетки погибли после митоза, в подавляю-
101
щем большинстве в сроки до 60 ч после воздействия. В основном
гибель наступала через 18—30 ч, во время первого или второго ми-
тоза (генерационный цикл у этих клеток, как было сказано в главе
7.1, составляет соответственно 7 и 9,5 ч). Гибели часто предшест-
вовал удлиненный период G2, во время которого клетка вдвое пе-
рерастала по величине обычную премитотическую клетку. Затем
следовал мультиполярный митоз или простое деление, приводив-
шие к образованию сразу трех-четырех клеток, которые быстро
сливались в одну. Образовавшиеся многоядерные клетки прохо-
дили несколько раундов блеббинга клеточной мембраны, а также
фрагментации на несколько клеток с их последующим воссоеди-
нением, после чего следовало формирование апоптотических те-
лец и окончательный распад. Авторы исследования определили
такую динамику гибели, как поздний интерфазный и поздний мито-
тический апоптоз.
Динамика гибели клеток линии L5178Y-Sne изменилась после
повышения дозы до 10 Гр, что подтверждает строго детерминиро-
ванный характер процесса апоптоза в клетках каждого вида. Отме-
тим, что при столь разной динамике и картине гибели клеток трех
линий их радиочувствительность, оцениваемая по способности
образовывать макроколонии, была практически одинакова: Ло
равнялась 0,49 Гр для ST4, 0, 66 Гр для L5178Y-SW 0,59 Гр для кле-
ток MOLT-4.
Относительно различий в динамике гибели клеток высказыва-
ется предположение, что гибель в первые часы после облучения
обусловлена более активной работой сигнальной системы включе-
ния апоптоза в ответ на нерепарированные двойные разрывы
ДНК, в то время как более поздняя гибель связана с обнаружением
нарушений строения хромосом в периоде 6г2, а гибель в митозе — с
хромосомными аберрациями. У клеток ST4, характеризующихся
быстрой гибелью, имеется нормальный («дикого типа», не мутант-
ный) ген Тгр53, продукт которого, белок Тгр53, успешно контро-
лирует рост и дифференцировку клеток. У двух других клеточных
линий белок Тгр53 либо мутантен, либо у них одновременно при-
сутствует белок мутантного и дикого типов, что и может быть при-
чиной отсутствия быстрого реагирования клеток на повреждение
ДНК.
Аналогичную картину гибели клеток по апоптотическому пути
наблюдали X. Форрестер и другие при изучении эмбриональных
крысиных фибробластов, иммортализованных трансфекцией (ис-
кусственным введением в геном) онкогена с-Мус. Более 95% этих
клеток после облучения в дозе 4 Гр погибали по апоптотическому
102
пути. Гибель клеток, попавших под облучение в середине и второй
половине 5-периода наступала до первого деления, в то время как
клетки, облученные в других фазах цикла, до момента гибели про-
ходили от одного до шести делений. В итоге апоптоз наступал в
сроки от 2 до 150 ч после последнего деления клетки. От момента
ошаривания клетки до ее распада могло пройти значительное вре-
мя, от 5 до 40 ч.
Облучение в дозе 9,5 Гр приводило к более быстрой гибели кле-
ток. Интересно, что после трансфекции геном Ras4Q% клеток по-
гибало по апоптотическому пути, а 60% клеток прекращало деле-
ние, но не погибало в течение, по меньшей мере, шести суток. В
качестве примера еще более длительного переживания облучен-
ных клеток можно привести и собственные наблюдения за клетка-
ми меланомы мышей линии В-16, подвергнутых облучению в дозе
100 Гр. Хотя облучение в столь высокой дозе приводило к полному
прекращению деления после прохождения нескольких митозов,
еще и через три месяца после облучения в культуральном сосуде
сохраняется большое количество клеток, хотя и сильно изменив-
ших свой вид.
Отметим, что эти клетки нельзя назвать сохранившими «жиз-
неспособность», так как в радиобиологии этот термин «зарезерви-
рован» для клеток, сохранивших «клоногенность», т. е. способ-
ность дорастать до видимых глазом колоний, что свидетельствует
об их значительном пролиферативном потенциале.
7.5. «Коммунальный» эффект
Коммунальный эффект, также называемый «эффектом свиде-
теля» (по англ, bystander effect), заключается в поражении клеток,
находящихся вне зоны воздействия радиации, но контактирую-
щих тем или иным способом с облучаемыми клетками. При этом
имеется в виду как непосредственный контакт облученных и необ-
лученных клеток, так и их нахождение в одном и том же культу-
ральном сосуде, а в ряде случаев — и контакт необлученных кле-
ток со средой, в которой другие клетки подвергались облучению.
Феноменология «опосредованного» действия излучений изу-
чается в опытах двух видов: исторически первыми были экспери-
менты по цитотоксическому действию биологических жидкостей,
в которых происходило облучение клеток, на интактные объекты.
В последние годы наибольший интерес вызывают технически
сложные эксперименты по локальному облучению отдельных кле-
103
ток в культуре или даже отдельно цитоплазмы и ядра отдельных
клеток с регистрацией различных форм цитотоксического эффек-
та у окружающих интактных клеток. Таким образом, коммуналь-
ный эффект наблюдается как in vitro, так и in vivo.
Еще в 1954 г. В.Б. Парсонс и соавторы сообщили об индукции
хромосомных аберраций в клетках костного мозга грудины у де-
тей, которым производили облучение селезенки по поводу хрони-
ческого гранулоцитарного лейкоза. В 1967 г. Дж. Г. Холловей и
Л.П. Литтлфилд описали индукцию хромосомных аберраций в
лимфоцитах, культивируемых на среде с плазмой крови, взятой у
больных, прошедших часть курса противоопухолевой лучевой те-
рапии. Образование в крови облученных людей и эксперимен-
тальных животных неких факторов, вызывающих такие же эффек-
ты, как и прямое облучение, в последующем было подтверждено в
нескольких исследованиях. В работах И. Эмерита с соавторами
1985—1995 гг. было показано, что эти кластрогенные факторы име-
ют небольшой молекулярный вес — от 1000 до 10 000 дальтон и
что в их возникновении играет роль оксидативный стресс и пере-
кисное окисление липидов. На участие высокоактивных произ-
водных кислорода указывает снижение эффекта при введении в
среду антиоксидантов и диметилсульфоксида, перехватчика ради-
калов.
В работах 2000—2003 гг. С. Мотерсилл, С.Б. Сеймур и их со-
трудники продемонстрировали, что при облучении культуры кле-
ток или эксплантата ткани в широком диапазоне доз — от 1 сГр до
5 Гр, в культуральную среду выделяются термолабильные, но ус-
тойчивые к замораживанию факторы (скорее всего, белковой при-
роды), которые вызывают гибель интактных клеток, длительное
снижение их клоногенного потенциала, а на молекулярном уров-
не — быстрое изменение проницаемости клеточной мембраны
для кальция с последующим изменением проницаемости мито-
хондриальных мембран и образованием высокореактивных соеди-
нений кислорода. При изучении продукции этого фактора облу-
ченным в культуре эпителием мочевого пузыря, взятого от различ-
ных больных, выяснилось, что эпителий от одних больных его
продуцирует, а эпителий от других больных — нет.
Остановимся теперь на исследованиях, в которых в клеточных
культурах облучали отдельные клетки или их отдельные структуры
и наблюдали эффект в соседних «клетках-свидетелях». Начало ис-
следованиям положили X. Насагава и Дж.Б. Литтл, которые в
104
1992 г. изучили индукцию сестринских обменов хроматид в клет-
ках китайского хомячка линии СНО при низкоинтенсивном облу-
чении а-частицами. Авторы обнаружили сестринские обмены у
30% клеток после облучения культуры в дозе 0,31 мГр, при которой
а-частицы попадают не более чем в 1% клеток. Изучение обнару-
женного эффекта другими авторами показало, что сигнальные ве-
щества формируются с участием оксидативного стресса, а для про-
явления эффекта важен межклеточный контакт. Необходимость
непосредственного контакта облученных и необлученных клеток
трудно увязать с данными исследователей, показавших переход и
длительное сохранение этих факторов в бесклеточной питатель-
ной среде. Это свидетельствует о том, что вопрос о механизме опо-
средованного действия ионизирующих излучений находится в
стадии начального изучения. Данный вопрос представляет боль-
шой интерес и с позиций определения роли этого удивительного
явления в определении результатов обычных опытов с облучением
клеток: погибают ли клетки только вследствие выделения в них са-
мих энергии излучения или их поражение дополнительно усили-
вается за счет «коммунального» эффекта лучевого воздействия.
Один из подходов к изучению механизма явления — локаль-
ное облучение отдельных клеток или их участков площадью в не-
сколько микрон микропучками заряженных частиц. В этих опытах
для облучения используются ускоренные ядра гелия 3Не2+ или
протоны, а также характеристическое (мягкое) рентгеновское из-
лучение. Облучение производят через коллиматоры, к которым с
помощью компьютеризованного столика микроскопа подводятся
клетки, выращиваемые в специальных тонкостенных чашках Пет-
ри. Аппаратура дает возможность локального облучения десятков
тысяч клеток в час в заранее заданной дозе, например, избранным
числом а-частиц, протонов или квантов рентгеновских лучей. По-
казательны эксперименты, проведенные Б.Д. Михаэлом (2003) в
Греевской лаборатории с облучением клеток китайского хомячка
микропучками рентгеновских лучей (рис. 7.12). В чашку Петри
высеивали по 150 клеток, из которых облучали либо одну, либо
пять, либо каждую из 150 клеток, а потом определяли способность
клеток к образованию колоний. Общее число фотонов, получае-
мое клетками в чашке, всегда было одинаковым, независимо от
того, пришлись ли они на одну, пять или на все 150 клеток. Приве-
денные на рисунке кривые выживаемости проведены с использо-
ванием а,р-модели, включающей поправку на включение малыми
105
Общее число фотонов,
полученных клетками
Рис. 7.12. Коммунальный эф-
фект при облучении клеток
китайского хомячка линии
V- 79 рентгеновским характери-
стическим излучением углеро-
да, имеющим энергию 0,28
кэВ (по Б.Д. Михаелю, 2003)
дозами радиации процессов клеточной репарации (за спадом вы-
живаемости следует подъем при повышении дозы), и около кри-
вых стоят значки, показывающие, какое количество клеток под-
верглось облучению. Полученные данные показывают, что наибо-
лее сильное падение клонообразующей способности всех находив-
шихся в чашке клеток произошло в случае, когда облучению
подверглась только одна из них (нижняя кривая); эффект облуче-
ния был существенно менее выражен (т. е. кривая выживаемости
располагалась выше) в случае, когда то же самое количество кван-
тов радиации было равномерно распределено между всеми нахо-
дившимися в чашке клетками. Гибель необлученных клеток в ос-
новном происходила в G2 — фазе цикла, независимо оттого, облу-
чали ли клетки в фазе G, или G2.
В предыдущих опытах, проведенных в той же лаборатории,
было показано, что воздействие двадцатью протонами на одну
примерно из 200 клеток китайского хомячка, находившихся в
чашке Петри площадью 70 мм2, приводит к гибели в среднем 14 не-
облученных клеток, в то время как облучение в такой же дозе, т. е.
20 протонами, каждой из имеющихся в чашке клеток приводит к
гибели всего 40 из 200 клеток. В аналогичных исследованиях выяв-
лен также повышенный уровень мутирования в клетках, находив-
шихся рядом с клетками, подвергшимися локальному воздейст-
вию альфа-частиц или рентгеновских лучей. На клетках глиомы
человека линии TG89G показано уменьшение выживаемости при
их помещении в среду, взятую от этих клеток, подвергнутых облу-
чению в другой культуральной посуде. Отметим, что на клеточных
культурах коммунальный эффект снижения выживаемости столь
106
ярко проявляется только в области малых доз радиации, когда об-
щее падение клоногенной активности не спускается ниже 89% от
контрольных значений.
В качестве следующего примера коммунального эффекта мож-
но привести результаты опытов О.В. Белякова и др., проведенных
in vitro, но уже не на клеточной, а на тканевой системе. Авторы
подвергали облучению а-частицами эксплантаты мочеточников
свиньи. При использовании 10 а-частиц на пути их пробега, со-
гласно расчету, в среднем оказывались всего четыре клеточных
ядра (остальные частицы проходили только через цитоплазму).
Последующее обследование эксплантата методом двухфотонного
зондирования выявило 8 тыс. клеток с признаками лучевого пора-
жения.
При исследовании коммунального эффекта на разных ткане-
вых системах было обнаружено, что большую роль играет тип и об-
лучаемых клеток, и клеток «рецепторов», воспринимающих сиг-
нал. Таким образом, эффект может проявляться на одних ткане-
вых системах и полностью отсутствовать на других.
В качестве разновидности коммунального эффекта сейчас
рассматриваются и многочисленные данные о существовании
опосредованного (дистанционного) эффекта радиации, прояв-
ляющегося на уровне целого организма в виде поражения тканей,
находящихся на значительном расстоянии от облучаемого участка
тела (см. гл. 16).
Пока не получено данных об увеличении интенсивности ком-
мунального эффекта с ростом дозы облучения, что выделяет его из
других радиобиологических эффектов, для которых характерно
строгое соответствие величины эффекта дозе воздействия.
Изучение образования соединений, передающих сигнал об об-
лучении на интактные клетки, и каскада биохимических реакций,
возникающих в клетках в ответ на поступление такого сигнала,
указывает на участие в этом процессе такого универсального пере-
датчика сигналов, как окись азота — NO. При исследовании роли
непосредственного межклеточного взаимодействия показано уча-
стие в осуществлении коммунального эффекта белка коннексина
43 — межклеточного передатчика сигналов. Введение антител к
фактору некроза опухолей а в среду также подавляет выражен-
ность коммунального эффекта. Однако в целом механизм этого
Удивительного явления остается малоизученным.
107
7.6. Лучевые поражения клеток, не отражаемые
кривыми выживаемости
7.6.1. ДЛИТЕЛЬНО СОХРАНЯЮЩАЯСЯ ПОВЫШЕННАЯ ГИБЕЛЬ
ПОТОМКОВ ОБЛУЧЕННОЙ КЛЕТКИ
Характерная для первых дней роста колонии гибель части по-
томков облученной клетки сохраняется в течение многих поколе-
ний. Колонии, образуемые облученными клетками, отличаются
замедленным ростом и большой вариабельностью в размере. Мед-
ленный рост колоний определяется не увеличением длительности
генеративного цикла (она постепенно возвращается к исходному
значению), а постоянной гибелью части клеток, образно называе-
мой секторальной гибелью потомков (полной гибелью всех потом-
ков одной из двух дочерних клеток, которая может происходить
как при делении самой облученной клетки, так и при одном из де-
лений в ряду ее поколений, см. рис. 7.10). В упоминавшемся ранее
исследовании механизма гибели клеток линии EJ30-15обнаруже-
но, что после облучения в дозе 6 Гр клоногенность клеток, полу-
чаемых из колоний, содержащих более 50 клеток, достигала значе-
ний, свойственных необлученным клеткам (68 ± 4%), только при
трипсинизации и посеве клеток через 10 дней после облучения
(спустя 11 генерационных циклов), если оно пришлось на 5-пери-
од. Если в момент воздействия клетки проходили период Gx, то
клоногенность достигала нормы только через 23 дня (через 25 ге-
нерационных циклов) (рис. 7.13). На 11-й день роста колонии, соз-
Время после посева клеток (митотических), сут
Рис. 7.13. Длительное снижение клоногенной способности клеток
карциномы мочевого пузыря человека линии EJ30-15 после облучения в
дозе 6 Гр, проведенного в момент нахождения клеток в 5- и Gi-фазах
клеточного цикла (по Э. Леонхарду и др., 1998)
108
даваемые интактными клетками, включали 692 ± 66 клеток; после
облучения в дозе 6 Гр клеток в стадии синтеза ДНК колонии со-
стояли из 424 ± 63 клеток, а после облучения клеток в предсинте-
тическом периоде — только из 245 ± 49 клеток.
По данным У. Синклера, сниженная способность к образова-
нию колоний после облучения фибробластов линии V- 79 китай-
ского хомячка сохранялась в течение года (притом делятся эти
клетки дважды в сутки). У иммортализованных (т. е. приобретших
способность к безграничному размножению, в данном случае — с
помощью трансфекции вирусного генома) кератиноцитов кожи
человека пониженная клоногенность сохранялась не менее чем у
400 поколений. Длительность пониженной клоногенности про-
порциональна дозе излучения.
7.6.2. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ
Еще одним проявлением лучевого поражения клетки является
«генетическая нестабильность», под которой понимается длитель-
ное сохранение отклонений в строении и функционировании ге-
нетического аппарата, в конечном счете, ДНК-белкового ком-
плекса. Впервые это явление было обнаружено как сохраняющая-
ся в течение 12—25 поколений повышенная (10-6) частота транс-
формации мышиных клеток СЗН • lOT^1 после однократного рент-
геновского облучения. При облучении клеток китайского хомячка
линии СНО повышенный уровень мутагенеза выявлялся на протя-
жении минимум 30 генераций у 10% клеток, переживших облуче-
ние. В облученных лимфоцитах повышенная частота хромосом-
ных перестроек зарегистрирована после 10 делений.
Высокая частота хромосомных перестроек наблюдалась в по-
томках облученных клеток и in vivo, в клетках костного мозга мы-
шей и в клетках эмбрионов после облучения зиготы мышей. В от-
дельных экспериментах генетическая нестабильность проявляет-
ся в возрастании числа точковых мутаций.
Механизмы индукции и поддержания генетической неста-
бильности не ясны. Имеются данные как о роли прямого пораже-
ния ДНК, так и о влиянии на генетическую нестабильность изме-
ненного клеточного метаболизма, хотя в этом случае не ясно, пе-
редаются ли эти изменения от клетки к клетке каким-то цитоплаз-
матическим фактором или существенную роль играют изменения
генетической информации, записанной в ДНК.
Роль прямого поражения ДНК следует из экспериментов, в ко-
торых показано дополнительное возрастание генетической неста-
109
бильности в потомстве клеток, облученных в присутствии бромде-
зоксиуридина, который способствует увеличению числа радиаци-
онных нарушений именно в молекуле ДНК. Новым методом обна-
ружения нестабильности генома стало изучение вариабельности
мини и макросателлитных последовательностей ДНК, характери-
зующихся высокой природной вариабельностью. А.И. Газиев и др
(2000) исследовали методом полимеразной цепной реакции с про-
извольно выбранным праймером ДНК, выделенную из ткани сам-
цов мышей до облучения, и ДНК, выделенную из тканей их потом-
ков первого поколения. Облучение отца в дозе 10 и 50 сГр при
мощности дозы 1 сГр/мин привело к увеличению в ДНК потомст-
ва числа так называемых «неродительских полос» соответственно
на 13 и 47% по сравнению с тканями необлученных животных.
Возрастание полиморфизма продуктов полимеразной цепной реа-
кии рассматривается авторами как указание на возможность по-
вышения у потомства облученных родителей числа точковых му-
таций, хромосомных аббераций и изменения характера генной
экспрессии.
В качестве примера данных, указывающих на роль иных (по-
мимо ДНК) структур в развитии генетической нестабильности,
приведем результаты экспериментов, в которых участки цитоплаз-
мы фибробластов человека локально облучали ускоренными ядра-
ми гелия. При прохождении через участок цитоплазмы четырех
ядер, что практически не сказывалось на жизнеспособности кле-
ток, у части их потомков наблюдалось образование микроядер
(следствие фрагментации ДНК) на протяжении 40 поколений.
При облучении в такой же дозе только ядра образование микро-
ядер в трех первых поколениях было более частым, чем после облу-
чения цитоплазмы, но эффект быстро снижался и через несколько
поколений становился менее выраженным, чем после облучения
участка цитоплазмы. В экспериментах с облучением цитоплазмы
гибридных клеток человека и хомячка всего пятью ускоренными
ядрами гелия наблюдалось тройное увеличение частоты мутаций в
локусе CD59(S1). Введение в среду перехватчиков радикалов и уг-
нетение синтеза внутриклеточного глютатиона резко снижало час-
тоту мутаций, что интерпретируется как указание на участие в
этом процессе реактивных продуктов кислорода.
Интересно, что облучение цитоплазмы приводило в основном
к возрастанию числа точковых мутаций, которые характерны для
спонтанного мутагенеза, а локальное облучение ядра увеличивало
частоту хромосомных перестроек. Вероятно, итоговый эффект
длительной нестабильности генома после облучения является ре-
но
зультирующим непосредственного поражения генома самим излу-
чением и дополнительного поражения продуктами измененного
клеточного метаболизма. На такую возможность указывает увели-
чение количества высокореакционноспособных продуктов кисло-
рода у 80 поколений клеток GM10115, мутантных по белку р53. У
этих клеток изменение метаболизма коррелировало с повышен-
ной по сравнению с контрольными культурами некротической и
апоптотической гибелью, которая, однако, не была связана с ак-
тивностью р53.
РЕЗЮМЕ
• Облучение приводит к ряду эффектов, выявляемых на
клеточном уровне: замедлению прохождения генерационного
цикла, образованию хроматидных и хромосомных аберраций,
возникновению микроядер.
• Сочетание биохимических и цитологических методов по-
зволило определить признаки клеточной гибели, проходящей
по апоптотическому и некротическому пути. Предполагается,
что некоторые клетки, в первую очередь лимфоидного проис-
хождения, «запускают» апоптотический путь гибели клетки
при обнаружении повреждений, которые сами по себе не явля-
ются летальными.
• Гибель клеток как по апоптотическому, так и по некроти-
ческому пути происходит как в первой интерфазе после облу-
чения, еще до вступления клетки в митоз, так и в интерфазе ме-
жду последующими делениями. Небольшая часть клеток гиб-
нет после вступления в митоз.
• Основным количественным критерием лучевого пораже-
ния клеток является степень утери клетками клоногенной ак-
тивности, способности к образованию видимых глазом макро-
колоний. Количество клеток с хромосомными аберрациями,
количество аберраций на клетку, а также число клеток с мик-
роядрами и число микроядер на клетку коррелируют со сниже-
нием выживаемости клеток.
• Получаемые в экспериментах in vitro и in vivo данные о вы-
живаемости клеток при разных дозах излучения могут быть ап-
проксимированы с использованием уравнений, основанных
на нескольких моделях клеточной гибели, что дает возмож-
ность сравнения клеток по радиочувствительности.
111
• У некоторых радиорезистентных клеток обнаружено
варьирование радиочувствительности, состоящее в крутом
спаде выживаемости при дозах 0,1—0,3 Гр и некотором повы-
шении при дальнейшем увеличении дозы до 0,8 Гр. Эти данные
интерпретируются как свидетельство индукции у таких клеток
системы репарации, включение которой происходит при дозах
0,2—0,5 Гр, что способствует повышению их выживаемости.
• Установлено, что поражение клеток, как в культуре, так и
на тканевом уровне, наступает не только при их непосредст-
венном облучении, но проявляется и после облучения клеток,
находящихся в том же культуральном сосуде, или в составе тка-
ни, часть клеток которой подвергается лучевому воздействию.
Это явление носит название «коммунального эффекта», или
«эффекта свидетеля» (bystander effect). Его природа остается не-
ясной, но к ее раскрытию привлечено внимание многих иссле-
дователей.
• Помимо гибели непосредственно облученной клетки, об-
лучение вызывает гибель части ее потомков в течение несколь-
ких последующих поколений, а также приводит к генетиче-
ской нестабильности среди ее потомков, проявляющейся в
виде повышения уровня аберраций и других форм нарушения
структуры ДНК, например, точковых мутаций.
ГЛАВА
8 ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ
ВЫЖИВАЕМОСТЬ КЛЕТОК ПОСЛЕ
ОБЛУЧЕНИЯ
Границы варьирования радиочувствительности асинхронных
клеток при облучении in vitro
Вариабельность радиочувствительности по фазам клеточного
цикла
Восстановление клеток, выявляемое изменением условий постлу-
чевого культивирования
Восстановление клеток при переходе от однократного к фрак-
ционированному облучению
Уменьшение лучевого поражения при снижении мощности дозы
излучения
Связь между восстановлением клеток и репарацией ДНК
Разработка методов определения клоногенной способности
дала в руки исследователей универсальный критерий, который по-
зволил проводить сравнение по радиочувствительности различ-
ных видов клеток, следить за ее изменением по стадиям клеточно-
го цикла, а также дал возможность обнаружить явление восстанов-
ления клетки после облучения. Так как данное руководство в зна-
чительной мере ориентировано на врачей, занимающихся лучевой
терапией злокачественных новообразований, многие вопросы в
этой и других главах рассматриваются с позиций общности и раз-
личий в лучевых реакциях клеток нормальных тканей и злокачест-
венных новообразований.
8.1. Вариабельность радиочувствительности клеток
Радиочувствительность разных видов клеток варьирует в ши-
роких пределах. Наиболее радиочувствительными среди всех ви-
дов клеток организма являются клетки лимфоидного происхожде-
ния, для которых обычная величина Do составляет «0,5 Гр. Высо-
кая радиочувствительность характерна и для опухолевых клеток
лимфоидного происхождения.
113
Представление о радиочувствительности нормальных клеток
другого происхождения дают нижеприведенные данные о пара-
метрах кривых доза—эффект для клеток нормальных тканей гры-
зунов.
Ткань А, гр Величина плеча, Dq, Гр
Костный мозг 0,9-1,0 Очень мала
Крипты тонкой кишки 1,3 4,0-4,5
Сперматогенный эпителий яичек 1,7 2,7
Эпителий почечных канальцев 1,5-1,6 3,9
Выстилка альвеол молочной железы. . . 1,3 2,3
Фолликулы щитовидной железы 2,0 2,3
Большой интерес с позиций клинической радиобиологии
представляет изучение радиочувствительности опухолевых кле-
ток, в том числе в индивидуальном плане, и установление ее кор-
реляции с эффективностью излечения опухолей. Ж. Декон и др.
(1984) определили величину SF2, фракцию клеток, сохраняющих
способность к клонообразованию после облучения in vitro в дозе
2 Гр (см. гл. 7). Оказалось, что в целом она варьирует в очень широ-
ких пределах — от 0,1 до 0,9. SF2 для клеток радиочувствительных
опухолей в среднем была равна 0,19, а для клеток радиорезистент-
ных новообразований — 0,52. Примечательным оказался факт
широкого варьирования радиочувствительности клеток, получен-
ных из опухолей одного и того же гистогенеза, но от разных боль-
ных. Например, у трех линий клеток радиочувствительной опухо-
ли нейробластомы SF2 составила 0,11, 0,15 и 0,37. Среди 18 линий
клеток меланомы кожи SF2 варьировала от 0,20 до 0,88, среди кле-
ток 4 линий глиобластомы (опухоли головного мозга) — от 0,30 до
0,86. Столь же широкая вариабельность характерна для немелко-
клеточного рака легкого. Согласно данным Дж. Кармихеля и соав-
торов (1987), SF2 у 14 линий клеток опухолей данного гистогенеза
варьирует от 0,18 до 0,77.
Р. Вексельбаум и М. Бекетт (1987) более детально изучили ва-
риабельность радиочувствительности клеточных культур, полу-
ченных из биопсийного материала, взятого у больных перед нача-
лом лучевой терапии, облучая клетки в широком диапазоне доз.
Это позволило определить величины Do и п. У 30 линий клеток
опухолей головы и шеи Do менялась от 1,1 до 3,1 Гр, а п — от 1,2 до
2,2. Наблюдения за больными показали, что результаты лечения
114
были лучше у больных, опухолевые клетки которых имели DQ
меньше 1,8 Гр, хотя было полностью излечено несколько больных
с более радиорезистентными новообразованиями.
8.2. Радиочувствительность клеток
на разных стадиях цикла
Описанный в предыдущей главе метод оценки клоногенной
способности клеток позволяет характеризовать усредненную ра-
диочувствительность клеток в данной популяции. В то же время
известно, что в период между делениями клетка проходит три
фазы роста, во время которых меняется структура хроматина — ос-
новной мишени действия радиации. Изучение радиочувствитель-
ности клеток на разных стадиях цикла стало возможным после
разработки методов синхронизации клеток. Первый и наиболее
эффективный по сей день метод синхронизации был предложен
Т. Терасимой и Л. Толмахом в 1963 г. Авторы воспользовались тем,
что в момент митоза растущие в монослое на дне культурального
сосуда клетки ошариваются и менее цепко держатся за подложку.
При встряхивании культурального сосуда такие клетки отделяют-
ся от нее, и их можно собрать центрифугированием. При умелом
стряхивании удается получить клетки, из которых 90—95% нахо-
дятся в митозе. После посева таких клеток они синхронно прохо-
дят все три фазы первого митотического цикла. Облучение в одной
и той же дозе, но в разное время после посева митотических кле-
ток, позволяет проследить за изменением их радиочувствительно-
сти в течение генерационного цикла.
Изменение радиочувствительности по фазам цикла прослеже-
но для нескольких видов клеток. Общий вывод таков, что наиболее
радиочувствительными клетки оказываются в митозе. В фазе G{
радиорезистентность клеток HeLa сначала возрастает, а потом
снижается, вновь возрастая в 5-фазе, в то время как у клеток ки-
тайского хомячка линии V- 79 радиорезистентность постоянно
растет, достигая максимума в конце 5-фазы (рис. 8.1) В периоде (7,
радиорезистентность вновь снижается. Особняком находятся дан-
ные, полученные при изучении фибробластов мышей линии L, у
которых клетки в предсинтетическом периоде более радиорези-
стентны, чем в периоде 5.
Фаза G2 является второй по длительности после митоза, про-
должаясь около 2 ч при общей длительности цикла и в 10, и в 20 ч.
За этот период радиочувствительность резко меняется с макси-
115
б
Рис. 8.1. Радиочувствительность клеток на разных стадиях цикла:
а — клетки HeLa (карцинома шейки матки человека); б — клетки китайского хомячка
линии И-79 (по У. Синклеру, 1970):
генерационный цикл опухолевых клеток человека составляет 21 ч, а клеток китайского
хомячка —10 ч
мальной в конце 5-фазы до минимальной в митозе. Однако точно
проследить ее изменение не представляется возможным, так как
методов синхронизации клеток по вступлению в период G2 не су-
ществует, а посеянные митотические клетки к концу цикла под-
вергаются рассинхронизации. Таким образом, плавный спад ра-
диочувствительности в значительной мере отражает не столько ис-
116
Доза излучения, Гр
Рис. 8.2. Кривые выживаемости клеток V- 79 при облучении на разных ста-
диях цикла (по У. Синклеру, 1970)
тинное изменение радиочувствительности по циклу, сколько
плавный переход клеток из 5-фазы.
Варьирование радиочувствительности по фазам цикла опреде-
ляется изменением обоих показателей формы кривой доза—эф-
фект — и ее наклона (7)0), и величины плеча. При переходе от ми-
тоза к стадии S возрастает способность к репарации — увеличива-
ются плечо и экстраполяционное число п, и снижается радиочув-
ствительность — увеличивается Do (рис. 8.2). Ниже приведены
параметры кривых выживаемости клеток китайского хомячка ли-
нии И- 79 при облучении в разных стадиях цикла (по У. Синклеру,
1970).
Стадия цикла п D,, Гр
М....................................................... 1 1,3
Gt...................................................... >1 1,6
S-ранняя............................................... 2—3 1,9
S-поздняя............................................... 10 2,0
G2...................................................... 1 1,3
Соответственно дозе излучения меняются и различия в выжи-
ваемости клеток, облученных в разное время цикла. Например,
при дозе 12 Гр выживаемость клеток V-79, облученных на стадиях
5 и G„ различается в 15 раз, а при дозе 3 Гр — в 1,5 раза (рис. 8.3).
При дозе в 2 Гр, используемой в качестве разовой в «стандартном»
курсе лучевой терапии опухолей, такие различия в радиочувстви-
тельности привели бы к тому, что при облучении асинхронной по-
пуляции среди клеток, находящихся в периодах G^, Sи (7>, выжило
117
0,002
0,001
0 2 4
s g2 m~
_J__I___I____L_
6 8 10 12
Время после синхронизации, ч
Рис. 8.3. Зависимость различий в выживаемости клеток V- 79, облученных
на разных стадиях генерационного цикла, от дозы излучения, указанной в
греях около кривых (по У. Синклеру, 1970)
бы соответственно 49, 75 и 21%. Таким образом, при дозах, повсе-
дневно используемых в практической медицине, клетки в разных
фазах цикла отличаются по выживаемости в 2—3 раза. В этих усло-
виях облучение само по себе выступает в роли синхронизирующе-
го агента. Сразу после него популяция обогащается радиорези-
стентными клоногенными клетками (неклоногенные клетки поги-
бают), в основном находящимися в 5-периоде. По мере выхода
клеток из этого периода, популяция становится более радиочувст-
вительной, но затем в результате рассинхронизации радиочувст-
вительность возвращается к исходному значению.
В тканях взрослого организма значительная часть клеток нахо-
дится вне цикла, в фазе покоя Со, потенциально сохраняя способ-
ность к пролиферации. При гибели части клеточной популяции
такие покоящиеся клетки могут вступить в цикл и служить осно-
вой репопуляции.
В настоящее время отсутствуют адекватные методы оценки ос-
новных радиобиологических параметров покоящихся клеток in
vivo. Соответствующие данные получены в основном путем экст-
раполяции результатов экспериментов с облучением стационар-
ных культур, используемых в качестве модели покоящихся клеток.
118
Согласно этим данным, если и существуют различия в радиобио-
логических свойствах между клетками в покое и находящимися в
цикле, то они невелики. Например, есть сведения о том, что клет-
ки в стационарном состоянии не восстанавливаются от сублеталь-
ных повреждений. Однако клетки приобретают эту способность в
том случае, если после облучения их поместить в оптимальные ус-
ловия развития — в полноценную среду с небольшой плотностью
клеток. Известны данные и об отсутствии различий в лучевых ре-
акциях покоящихся и находящихся в цикле клеток in vivo. Напри-
мер, установлена одинаковая степень радиочувствительности хро-
мосом покоящихся и делящихся клеток печени. Анализ этих работ
будет проведен при рассмотрении вопросов восстановления орга-
низма и отдаленных эффектов облучения (гл. 13 и 17).
8.3. 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 уров-
не (регенерация), известное гораздо раньше и послужившее осно-
вой для развития фракционированных режимов лучевой терапии
опухолей, которые стали использовать еще в 20-е годы прошлого
века.
В 1959 г. в опытах на дрожжах В.И. Корогодиным было показа-
но, что если после облучения суспензии клеток вместо немедлен-
ного высева на питательные среды выдержать несколько часов в
так называемой «голодной среде» и лишь затем поместить в нор-
мальные для роста условия, то их способность к почкованию зна-
чительно увеличивается. Впоследствии такой вид восстановления
был изучен в количественном плане и на животных клетках и по-
лучил название восстановления от потенциально летальных пора-
жений.
Второй вид восстановления клеток носит название восстанов-
ления от сублетальных поражений. Он был обнаружен в опытах с
фракционированным облучением одноклеточного объекта — хла-
мидомонады — Б.С. Якобсоном в 1957 г. Через два года эффект был
детально изучен на клетках млекопитающих М. Элкайндом, кото-
рый определил динамику восстановления клоногенной способно-
сти клеток в зависимости от времени между фракциями дозы.
Рассмотрим феноменологию этих процессов.
119
8.3.1. РЕПАРАЦИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЛЕТАЛЬНЫХ ПОРАЖЕНИЙ
Опыты В.И. Корогодина были проведены на дрожжах Мег-
ри-139. Дрожжи подвергали у-облучению, и одну часть клеток сра-
зу высевали на питательную среду в чашки Петри, а другую часть
клеток выдерживали перед посевом 48 ч в «голодной» среде, ли-
шенной ряда питательных веществ, что не давало клеткам увели-
чивать свою массу и приступать к размножению. Оказалось, что в
первом варианте после облучения в дозе 12 Гр выживало около
0,2% облученных клеток, во втором — до 40%. Затем в 1981 г.
А.В. Глазунов и Ю. Г. Капульцевич выявили два компонента про-
цесса восстановления — медленное восстановление, которое и от-
крыл В.И.Корогодин, и быстрое, проходящее меньше чем за час.
Авторы обнаружили, что выживаемость диплоидных дрожжей при
высеве их после облучения на питательную среду, содержащую 8
или 10% NaCl, зависит от температуры во время облучения: пони-
жение температуры с 20 до 3 или 0 °C приводит к существенному
снижению выживаемости. Выдерживание в воде клеток, облучен-
ных при 0 °C, но сразу нагретых до 28 °C, уже через 30—40 мин при-
водит к быстрому повышению выживаемости. Эффект быстрого
восстановления жизнеспособности нельзя обнаружить, облучая
клетки при комнатной температуре или высевая их на стандарт-
ную питательную среду, так как в этих условиях восстановление
успевает завершиться. Этот тип пострадиационного восстановле-
ния у дрожжей вносит большой вклад в регистрируемую выживае-
мость этих клеток в стандартных условиях (при высеве облучен-
ных клеток на стандартную питательную среду) в отличие от мед-
ленного пострадиационного восстановления. Для примера на рис.
8.4 показана выживаемость дрожжей на солевой (10% NaCl) (кри-
вая 7) и стандартной (кривая 2) питательных средах в зависимости
от времени выдерживания клеток в воде при 28 °C. В первые 30—40
мин происходит быстрое увеличение выживаемости клеток в соле-
вой среде до постоянного значения, которое сохраняется в течение
последующих одного-двух часов, что соответствует завершению
быстрого пострадиационного восстановления; дальнейший рост
выживаемости обусловлен медленным восстановлением, закан-
чивающимся через 40—50 ч. При высеве облученных клеток на
стандартную питательную среду (без NaCl) можно наблюдать
лишь медленное восстановление жизнеспособности. Быстрое вос-
становление наблюдали как после у-облучения, так и после облу-
чения а-частицами 239Ри. Интересно, что увеличение выживаемо-
сти при задержке вступления клеток в деление наблюдали только у
120
Рис. 8.4. Быстрое (7) и
медленное (2)
восстановление клеток
диплоидных дрожжей
Saccharomyces cerevisiae после
у-облучения в дозе 40 Гр
(по А.В. Глазунову и
Ю.Г. Капульцевичу, 1981)
диплоидных дрожжей; у гаплоидных оно отсутствовало, из-за чего
последние и характеризуются более высокой радиочувствительно-
стью.
Влияние условий пострадиационного культивирования на вы-
живаемость клеток млекопитающих было продемонстрировано
С.Н. Александровым (1959) на клетках, полученных из опухолей
молочной железы, при выращивании в разных температурных ус-
ловиях, а позднее И. М. Пархоменко (1963), которая помещала об-
лученные в культуре клетки в фосфатный буфер или временно ин-
гибировала синтез белка и лишь затем возвращала клетки в усло-
вия нормального роста. В. Дюи (1972) установил, что повышения
выживаемости клеток китайского хомячка можно добиться сни-
жением температуры во время и после облучения до 20 °C. Таким
образом, наступающее при этом замедление метаболизма в боль-
шей мере влияет на продвижение клетки по циклу, приводящее к
реализации лучевого поражения, чем на восстановление.
Более физиологичным методом избирательного торможения
процессов подготовки клетки к делению является их перевод из
логарифмического роста, в котором обычно находятся клетки при
культивировании in vitro, в стационарную фазу, наступающую, ко-
гда клетки дорастают до монослоя. Выходу клеток из цикла и нако-
плению в фазе Gq при этом способствуют два обстоятельства —
контактное ингибирование, проявляющееся в какой то степени
даже на клетках опухолевого происхождения (на которых проведе-
но подавляющее количество опытов с клетками в культуре; не-
трансформированные, нормальные клетки немедленно прекра-
щают продвижение по циклу после того, как оказываются в окру-
жении соседних клеток), и истощение питательной среды (кото-
121
Рис. 8.5. Изменение выживаемости клеток китайского хомячка (клон 451)
при увеличении интервала между облучением в составе монослоя
и рассевом (доза облучения — 10 Гр)
рую специально не обновляют в такого рода экспериментах).
Рис 8.5 демонстрирует феноменологию эффекта — возрастание
выживаемости клеток в случае, когда трипсинизацию монослоя и
его разделение до одиночных клеток проводили не сразу после об-
лучения, а спустя несколько часов после него. Представленные ре-
зультаты получены при одной дозе облучения — 10 Гр. Сравнение
наклонов кривых доза—эффект при рассеве клеток сразу после об-
лучения и спустя 6 ч показывает, что такая задержка перехода из
покоящегося состояния в фазу логарифмического роста эквива-
лентна снижению их радиочувствительности (оцениваемой отно-
шением величин Dq) в 1,2 раза.
Эффект восстановления клеток от потенциальнолетального
повреждения изучен при облучении in vitro большого числа кле-
точных линий, полученных из разных опухолей человека. Напри-
мер, Р. Вексельбаум и М. Бекетт изучили в этом плане 17 клеточ-
ных линий, облучая клетки, когда они дорастали до состояния мо-
нослоя, и рассевая сразу после воздействия или спустя 24 ч. Эф-
фективность клонообразования у клеток опухолей головы и шеи
при рассеве через 24 ч увеличивалась от 2 до 20 раз, клеток остео-
саркомы (опухоли кости) — от 2 до 22 раз, а клеток опухолей яич-
ников — от 1,3 до 6 раз. Рядом авторов показано, что основная
часть восстановления проходит в первые часы после облучения, и
эффект восстановления от потенциальных деталей увеличивается
при возрастании используемой дозы, так что указанных выше зна-
чений достигают только при использовании больших доз радиа-
122
ции. При репарации потенциальных деталей, в отличие от репара-
ции сублеталей, у клеток меняется наклон кривой доза—эффект.
При облучении культуры клеток, находящихся в фазе логарифми-
ческого роста, трипсинизация и рассев через разное время после
облучения не меняют фракцию клонообразующих клеток.
Восстановление от потенциальных деталей показано и при об-
лучении опухолей, которые выделяли из организма и подвергали
трипсинизации для посева в культуру через разные сроки после
облучения. Так, по нашим данным, выживаемость клеток асцит-
ной или солидной опухоли Эрлиха при посеве клеток не сразу, а
через 2 ч после облучения в дозе 10 Гр возрастает вдвое, а при посе-
ве клеток из некоторых перевивных фибросарком мышей через 6 ч
после облучения выживаемость клеток увеличивается в 2—5 раз.
Результаты описанных экспериментов указывают на важность
учета явления восстановления клеток от потенциально летальных
поражений в исследовательской деятельности, например, при
оценке в культуре радиочувствительности опухолевых клеток, об-
лученных в составе новообразования (например, при оценке эф-
фективности применения радиосенсибилизаторов опухолевых
клеток при лучевой терапии). Ясно, что в каждой серии экспери-
ментов забой животных, выделение опухоли, получение из нее
клеток и их рассев на колониеобразование должен проводиться
спустя одно и то же время после облучения. При несоблюдении
данного условия выживаемость клеток, выделенных спустя не-
сколько часов после облучения, будет выше, чем выделенных сра-
зу после него. Надо только иметь в виду, что в эксперименте, как
правило, используют однократное облучение, а в клинике приме-
няется 4—5 фракций при предоперационном воздействии и 30 и
более фракций при самостоятельной лучевой терапии. При дозах,
обычных для лучевой терапии, увеличение выживаемости клеток в
результате репарации потенциальных деталей не будет превышать
50%.
8.3.2. РЕПАРАЦИЯ СУБЛЕТАЛЬНЫХ ПОРАЖЕНИЙ
Сублетальные поражения в отличие от потенциально леталь-
ных сами по себе не приводят к гибели клеток, но делают их более
чувствительными к последующему облучению. Так как лучевую
терапию злокачественных опухолей проводят именно в режиме
фракционирования, то естественно, что восстановление клеток от
сублеталей существенным образом сказывается на ее результатах.
Именно по этой причине показатели восстановления клеток от
123
сублетальных поражений изучаются очень тщательно, так что сей-
час они уже известны для клеток из многих видов опухолей и прак-
тически всех нормальных тканей.
Первый из этих показателей — величина эффекта, т.е. на-
сколько полным оказывается восстановление исходной радиоре-
зистентности клетки. Как и всегда в радиобиологии, критерием
может служить отношение равноэффективных доз при однократ-
ном и фракционированном воздействии, или отношение числа
выживших клеток после однократного и фракционированного
воздействия в одной и той же дозе.
Результаты опыта М. Элкайнда показали способность живот-
ных клеток к восстановлению от сублетального поражения
(рис. 8.6). Как видно, восстановление клеток хомячка, использо-
вавшихся в этом эксперименте, идет очень быстро и заканчивается
уже через два часа. После облучения в дозе И Гр выживаемость
снизилась до 1,5% от исходной, а при разделении дозы на две
фракции — первую величиной 4,5 Гр, а вторую 6,5 Гр, выживае-
мость поднялась в четыре раза, до 2% от исходной. В части опытов
в перерыве между воздействиями клетки находились при комнат-
ной температуре, что не помешало процессам восстановления.
В последующем было установлено, что перерыв в облучении
приводит к восстановлению плеча на кривой доза—эффект. В
опытах, где второе облучение проводили в разных дозах (что дало
возможность построить кривые доза—эффект) было показано, что
во время перерыва плечо полностью восстанавливается, а наклон
прямолинейного участка кривой доза—эффект (Dq) не меняется.
Эффективность репарации сильно зависит от дозы облучения
в каждой из фракций. Если доза недостаточно велика и не выходит
за пределы плеча кривой выживаемости, репаративные возможно-
сти клетки не могут полностью выявиться и фактор восстановле-
о
Интервал между фракциями, ч
Рис. 8.6. Выживаемость клеток
китайского хомячка линии И-79
после однократного облучения в
дозе 11 Гр и при облучении в
виде двух фракций, 4,5 + 6,5 Гр,
с разным интервалом между
ними (по М. Элкайнду и др.
1965)
124
ния невелик. Между величиной плеча кривой выживаемости дан-
ного вида клеток (и соответственно величиной экстраполяционно-
го числа п) и их способностью к репарации существует определен-
ная корреляция — чем она больше (т.е. больше экстраполяционное
число п), тем более эффективна репарация, однако имеются при-
меры и низкой способности к репарации у клеток, имеющих боль-
шое п. В целом при больших дозах облучения, когда репаративный
потенциал может проявиться в полной мере, выживаемость клеток
человека повышается в 2—2,5 раза, а выживаемость клеток грызу-
нов — до 4—6 раз.
Так как эффективность репарации сублеталей в условиях
фракционирования дозы оказывает очень существенное влияние
на итоговую выживаемость клеток, неудивительно, что ее пыта-
лись определить для клеток и опухолей, и нормальных тканей.
Клетки большинства видов опухолей животных и человека переве-
дены в клеточные линии, так что эффект репарации можно изу-
чать in vitro, а вот восстановление клеток нормальных тканей при-
ходится оценивать методами математического моделирования на
основании экспериментов, в которых локальное облучение изу-
чаемой ткани проводят в виде различного количества фракций.
Большинство экспериментальных исследований такого рода вы-
полнено на мышах, но именно в параметрах объема и динамики
репарации мыши отличаются от человека, и экстраполяцию дан-
ных проводят с учетом этого обстоятельства. Зато методы матема-
тического моделирования результатов клинических исследований
с использованием различных режимов фракционирования позво-
ляют определить основные показатели восстановления тканей че-
ловека. При расчетах толерантности нормальных тканей, которые
будут рассмотрены в гл. 21, восстановление учитывается как сте-
пенной показатель у числа фракций. Этот показатель меняется от
ткани к ткани.
В современной лучевой терапии применяют не только редкои-
онизирующие излучения, при действии которых в основном оце-
нивают показатели репарации, но и плотноионизирующие, в пер-
вую очередь, нейтроны. Первый опыт применения нейтронов для
облучения опухоли, датируемый 30-ми годами прошлого века,
оказался негативным из-за серьезного поражения нормальных
тканей. И только после разработки методов оценки восстановле-
ния клеток в перерыве между фракциями стало ясно, что причина
крылась именно в значительном уменьшении ее эффективности
при действии излучений с повышенной ЛПЭ. Как было показано в
125
Доза излучения, Гр
Рис. 8.7. Диапазон
варьирования наклона кривых
доза—эффект для фибробластов,
полученных от 42 нормальных
лиц (Do = 1,0—1,6 Гр) и 10
больных атаксией-телеангиэктазией
(Do = 0,3 - 0,6 Гр) (по Р. Коксу
и В.К. Массону, 1980)
гл. 6, эффективность репарации ДНК значительно снижается,
если разрывы распределены не равномерно, как в случае редкоио-
низирующих излучений, а собраны в виде кластеров поражений
соседних нуклеозидов.
В последние годы значительное внимание уделяется изучению
влияния сниженной эффективности репарации на лучевое пора-
жение нормальных тканей при лучевой терапии опухолей. У чело-
века имеется ряд заболеваний с наследуемой к ним предрасполо-
женностью, при которых происходит снижение репаративного по-
тенциала клетки. Наиболее известным является атаксия-телеанги-
эктазия, которая вызвана мутированием гена Л ЛИ, появляющаяся в
популяции с частотой 1:100 000. Дефект восстановления при этом
проявляется в виде повышенной радиочувствительности клеток
(рис. 8.7). На снижение способности к восстановлению указывает
отсутствие повышения выживаемости фибробластов как при сни-
жении мощности дозы излучения, так и при задержке с пересевом
клеток, облученных в состоянии контактного ингибирования про-
лиферации. К числу наследственных заболеваний, характеризую-
щихся повышенной радиочувствительностью, обусловленной
снижением эффективности восстановления, относятся также ане-
мия Фанкони, при которой не репарируются внутримолекуляр-
ные сшивки ДНК, и синдромы Блума и Вернера, при которых на-
рушена работа геликазы — фермента, расплетающего нити ДНК.
Другой вопрос, интересующий исследователей при изучении
восстановления, — сохраняется ли величина эффекта при перехо-
де от разделения дозы на две фракции к использованию большего
числа фракций. Основные результаты здесь получены на культу-
рах клеток и при фракционированном облучении нескольких тка-
ней (органов) мышей. Во многих случаях величина эффекта вос-
становления сохраняется, однако и на опухолевых клетках, облу-
126
Рис. 8.8. Теоретические кривые доза—эффект для клеток карциномы Эрлиха
линии ELD, растущих в культуре:
/ — однократное облучение в диапазоне доз от 0 до 16 Гр; 2, 3 и 4— при разделении
дозы в 18 Гр соответственно на 2, 4 и 8 фракций. Кривые 1 и 2 основаны на
экспериментальных данных, кривые 3 и 4— расчетные
чаемых в культуре, и при фракционированном локальном облучении
легких мышей установлено некоторое снижение эффективности ре-
парации. Здесь не имеется в виду естественное снижение объема
репарации за счет того, что для достижения заданного эффекта
при большом числе фракций приходится применять меньшие ра-
зовые дозы, при которых эффект восстановления, естественно,
уменьшается. Здесь речь идет об истинном снижении репаратив-
ного потенциала при использовании нарастающего числа одина-
ковых по величине фракций. Тем не менее при моделировании
процессов лучевой терапии обычно применяется постоянный для
всего курса коэффициент увеличения выживаемости за счет репа-
рации сублеталей (специфичный для рассматриваемой ткани). На
рис. 8.8 приведены кривые доза—эффект для клеток асцитного
рака Эрлиха линии ELD. Кривые для облучения в виде 4 и 8 фрак-
ций рассчитаны с использованием модели многих мишеней по
Формуле
127
7V/W0 =[1-(1-е-р/Дв)л1£,
где N/No — выживаемость клеток; D — доза излучения; Do и п —
параметры кривой доза—эффект и F— число фракций. Парамет-
ры Do и п определены при однократном облучении клеток (кривая
7, построенная по экспериментальным данным).
При облучении в виде 8 фракций по 2,25 Гр выживаемость кле-
ток составляет 4,8 • 102 от исходной, при 4 фракциях — 2,8 • 10’4, а
при однократном облучении — 5,8 10~7 от исходной. Как видим,
восстановление клеток в перерыве между фракциями сказывает-
ся на конечной выживаемости клеток весьма значительно. Заме-
тим, что этот расчет проведен для мышиных клеток, отличаю-
щихся более высоким коэффициентом восстановления, чем клет-
ки человека.
Отсутствие увеличения восстановительного потенциала кле-
ток в процессе фракционирования показывает, что облучение
вряд ли индуцирует или каким-либо другим путем увеличивает
синтез ферментов репарации; возможно, что лимитирующими в
этом процессе являются другие факторы.
Следующий показатель — время, необходимое клетке для за-
вершения восстановления. Он важен для моделирования процес-
сов, происходящих при лучевой терапии с использованием режи-
ма мультифракционирования, когда облучение производится 2—3
раза в день (в виде двух-трех фракций). Расчеты проводятся для
нормальных тканей, причем при лечении опухолей разной лока-
лизации критическими оказываются разные ткани. Толерантная
доза (т.е. максимально переносимая, для практических целей оп-
ределяемая как доза, дающая 5% осложнений) хорошо известна
для большинства критических тканей для режима с суточным ин-
тервалом между фракциями, в течение которого восстановление
от сублетальных поражений полностью завершается. Данные для
клеток человека в культуре и результаты клинических испытаний
метода мультифракционирования с различными интервалами ме-
жду фракциями указывают, что в случае быстро пролиферирую-
щих тканей — клеток в культуре, клеток эпидермиса кожи и кле-
ток слизистой оболочки органов пищеварения — для полного вос-
становления необходимо около двух часов. При этом восстановле-
ние клеток грызунов идет существенно быстрее, чем клеток
человека, что надо учитывать при переносе экспериментальных
данных на человека. Репарация сублетальных поражений в мед-
ленно обновляющихся тканях, где большинство клеток находится
в периодах GQ и G2Q, идет медленнее, поэтому при моделировании
128
процессов фракционированного облучения опухолей принимает-
ся, что для полного восстановления нормальных тканей необхо-
дим интервал не менее 6 ч. Именно такой интервал рекомендуется
соблюдать между фракциями при использовании режимов муль-
тифракционированного облучения. Для характеристики скорости
восстановления нормальных тканей принято использовать такой
показатель, как период полувосстановления, т.е. время, за которое
достигается восстановление 50% оставшегося поражения. Для
клеток спинного мозга мышей, например, период полувосстанов-
ления Г1/2 равен 1,5 ч. Это означает, что при трехчасовом интервале
пройдет восстановление от 75% репарируемых поражений, при
4—5-часовым интервале — 87,5%, и при 6-часовом клетка восста-
новится от 93,75% репарируемых поражений. С такой же скоро-
стью идет восстановление и других медленно обновляющихся тка-
ней, например клеток различных отделов почек. Т1/2для быстро де-
лящихся клеток имеет меньшую величину и составляет для эпите-
лия легких 0,8 ч, слизистой тонкого кишечника 0,5 ч и эпидермиса
кожи 1,3 ч.
Клетки опухолей человека характеризуются значительной ва-
риабельностью скорости восстановления показателя — при ана-
лизе в культуре 17 линий, полученных из новообразований различ-
ного гистогенеза, величина Г1/2 менялась в диапазоне от 0,36 до
2—3 ч. При такой широкой вариабельности скорости восстанов-
ления опухолей, и попадающих в зону облучения различных нор-
мальных тканей использовать скорость восстановления для под-
бора «оптимального»интервала между фракциями лучевой тера-
пии не представляется возможным.
8.4. Восстановление и мощность дозы
Учет фактора восстановления важен для расчетов толерантно-
сти нормальных тканей не только при фракционированном облу-
чении, но и при облучении с малой мощностью дозы, используе-
мой при так называемой контактной терапии (брахитерапии, от
греч. брахи — на близком расстоянии). При этом источники
излучения хирургическим образом внедряются в ткань на не-
сколько дней или фиксируются около новообразований, располо-
женных в стенке полых органов или в непосредственной близости
от нее, с помощью различных аппаратов или приспособлений.
При низкой интенсивности воздействия восстановительные про-
цессы идут не по окончании, а непосредственно во время облуче-
129
1
0,36
0,1 -
0,01 -
0,001 -
0,0001 -
0,86
0,16
v> \0,3
l,07\
I . I i_____I i___I 1----L_
5 10 15 20 25
Доза излучения, Гр
Рис. 8.9. Уменьшение эффективности поражения клеток китайского хомячка
линии CHL-F в условиях снижения мощности дозы у-излучения с
1,07 Гр/мин до 0,36 сГр/мин (по Дж. Бедфорду и Дж. Митчелу, 1973)
ния. Информация, необходимая для расчетов длительности облу-
чения при использовании источников разной мощности,получа-
ется в экспериментах с облучением клеток при различной мощно-
сти дозы. На рис. 8.9 показано, как значительно снижается
поражение клеток при уменьшении мощности дозы у-излучения с
1,07 до 0,16 Гр/мин и как оно еще более уменьшается при дальней-
шем снижении мощности дозы до 0,36 сГр/мин.
Облучению подверглись клетки, уже образовавшие микроко-
лонии со средним числом клеток на колонию, равным 3,5. В связи
с этим по оси ординат отложена способность микроколоний дора-
стать до макроколоний, а не выживаемость клеток. Отступление от
обычной практики вызвано также необходимостью использова-
ния одного и того же критерия при воздействии на клетки с боль-
шой и малой мощностью дозы, когда они успевают поделиться не-
посредственно во время облучения.
Хотя способность к репарации сублеталей должны проявлять-
ся у клеток одинаково как в опытах со снижением мощности дозы,
так и в опытах с разделением дозы на фракции, на практике этого
не происходит. Природа не хочет ложиться в прокрустово ложе ло-
гических построений, которыми всегда хочется связать похожие
явления. Это наглядно проявилось в опытах Л. Келланда и Г. Сти-
ла, которые сопоставили способность к восстановлению при
130
фракционированном облучении и облучении со сниженной мощ-
ностью дозы у четырех видов клеток, полученных из опухолей че-
ловека. Облучение проводили однократно при высокой мощности
дозы, 1,5 Гр/мин, разбивая его на две фракции с разными интерва-
лами между ними, или однократно, но при низкой (1,6 сГр/мин)
мощности дозы. Клетки облучали не в культуре, а во время роста в
виде опухолей у бестимусных1 мышей. Выживаемость определяли
после посева облученных клеток in vitro. Оказалось, что у клеток из
разных опухолей можно было наблюдать самые разные соотноше-
ния эффективности репарации сублеталей, определенной в опы-
тах с фракционированием и измеренной в опытах с низкой мощ-
ностью облучения. Более того, было найдено отклонение от пря-
мой связи между эффективностью репарации и величиной п, ха-
рактеризующей размер плеча на кривой доза—эффект, хотя такая
связь и наблюдалась ранее при облучении клеток в культуре. Так, у
полученных из меланомы (опухоли кожи) клеток ИХ 118, имею-
щих характерное для этого вида новообразований сравнительно
большое плечо (л = 3,2), наблюдалось значительное повышение
выживаемости как при снижении мощности дозы (рис.8.10, а), так
и при ее фракционировании. Разделение даже сравнительно не-
большой дозы однократного облучения в 5 Гр на две фракции с ин-
тервалом в 3 ч повысило выживаемость в 2,2 раза. Клетки линии
ИХ32, полученные из карциномы поджелудочной железы, имели
меньшее экстраполяционное число (п = 2), характеризовались ма-
лой зависимостью выживаемости от мощности дозы (см. рис. 8.10, б);
фракционирование дозы также не повысило их выживаемость. У
клеток MX 99, полученных из опухоли молочной железы — хотя
эти клетки имеют гораздо большее плечо (п = 5,2), снижение мощ-
ности дозы не сказалось на выживаемости, да и разделение дозы на
две фракции увеличило ее всего в 1,2 раза. Таким образом, реаль-
ная взаимосвязь между процессами восстановления, выявляемы-
ми в разных опытах, остается неясной.
Восстановление клеток учитывается и в области радиационной
безопасности при оценке последствий общего и локального воз-
действий. Многие данные о последствиях облучения человека по-
лучены при наблюдении за «японскими когортами» — более чем
85 тыс. лиц, выжившими после облучения во время атомных бом-
1 Бестимусные (также называемые голыми из-за отсутствия шерстного покро-
ва) мыши — животные с врожденным отсутствием тимуса, не имеющие зрелых
Т-лимфоцитов и не отторгающие трансплантант, что позволяет прививать им им-
мунологически несовместимые клетки, втом числе клетки опухолей человека.
9* 131
1,0
t i । i । । । i ___i__i__i___i--1--1--i---1--1
0 2 4 6 8 10 12 14 18 12 3 4 5 6 7 8 9
Доза излучения, Гр Доза излучения, Гр
а б
Рис. 8.10. Выживаемость клеток меланомы человека линии НХ 118 (а)
и рака поджелудочной железы человека линии НХ 32 (б), облученных при
росте клеток после трансплантации бестимусным мышам (по Л. Келланду
и Г. Стилу, 1986):
мощность дозы облучения — 1,5 Гр/мин (/) и 1,6 сГр/мин (2); оценка эффекта — по
клонообразованию in vitro
бардировок (см. гл. 17 и 23). Тогда воздействие радиации было
мгновенным, т. к. облучение от выпавших изотопов было незначи-
тельным по сравнению с излучением, образующимся в момент
взрыва. В условиях длительного накопления дозы (протрагиро-
ванного и хронического воздействия), естественно, имеет место
восстановление клеток от сублетальных поражений, что и приво-
дит к ослаблению эффекта.
Закономерен вопрос, являются ли потенциально летальные и
сублетальные поражения одним и тем же типом поражений, но
по-разному выявляемым в экспериментах разного типа, или это
разные виды поражений. Общепринятой точки зрения по этому
вопросу не существует, имеются факты, указывающие на их раз-
ную природу. Например, из опухоли молочных желез мышей по-
лучены клоны клеток, одни из которых не способны к восстанов-
лению от сублетальных поражений, но сохранили способность к
репарации потенциальных деталей, а другие — дефектны по сис-
132
теме медленной репарации потенциальных деталей. Возможно,
два вида репарации отражают работу разных ферментативных сис-
тем восстановления клетки.
8.5. 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 жизнеспособ-
ной, 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 про-
хождения клеткой чекпойнтов. Феноменологически это выглядит
в виде задержки митозов, возрастающей с увеличением дозы излу-
чения. Если клетка в момент облучения находится вне цикла, то у
нее больше возможностей для восстановления, чем у клетки, ак-
тивно реплицирующей ДНК и готовящейся к митозу. Поэтому
клетки в стационарной фазе роста, независимо от того, находятся
ли они там из-за дефицита питательных веществ или из-за кон-
тактного ингибирования (скорость прохождения цикла уменьша-
ется даже у опухолевых клеток после того, как они покрывают всю
поверхность культурального сосуда, хотя у них контактное инги-
бирование выражено несоизмеримо слабее, чем у клеток нормаль-
ных тканей) имеют больше времени для репарации потенциаль-
ных деталей. Если после облучения клетки сразу пересеять, помес-
тив их на хорошую питательную среду и дав им место для размно-
жения, то они не успеют отрепарировать повреждения ДНК до
начала быстрого продвижения по циклу и погибнут. Если их пере-
сеять через несколько часов после облучения, то их клоногенность
возрастет. Это — эффект восстановления от потенциальнолеталь-
ных поражений.
Часть нанесенных повреждений ДНК не влияет на выживание
Клетки и подвергается удалению в процессе ее нормальной жизне-
деятельности. Однако эти повреждения могут становиться леталь-
ными в случае, если в клетке возникнут новые повреждения. Фе-
133
номенологически эти повреждения проявляются двумя способа-
ми: наличием у кривой доза—эффект плеча и более высокой вы-
живаемостью клеток при фракционировании дозы.
РЕЗЮМЕ
• Радиочувствительность клеток варьирует по стадиям
цикла. Наиболее высока радиочувствительность клеток — во
время митоза. Радиорезистентность клеток увеличивается по
мере прохождения ими периода G}; у части клеток достигает
максимума в 5-периоде и снижается в фазе G2.
• Клетки способны восстанавливаться от нанесенного им
радиационного поражения. Разные варианты опытов позволя-
ют выделить два вида восстановления: восстановление от по-
тенциальнолетальных и от сублетальных повреждений.
• Восстановление от потенциальнолетальных поврежде-
ний проходит в условиях, когда клетка лишена возможности
деления или для нее не создано возможности активной подго-
товки к нему.
• Восстановление от сублетальных поражений обнаружи-
вается как увеличение выживаемости клеток при разделении
дозы на две и большее число фракций.
• Объем восстановления от сублетальных поражений варь-
ирует у разных клеток, как и скорость восстановления. Счита-
ется, что для полноценной репарации перерыв между фрак-
циями должен составлять не менее 6 ч.
• Объем восстановления, как правило, возрастает при сни-
жении мощности дозы излучения, однако влияние сниженной
мощности дозы значительно варьирует для разных клеток.
• Эффективность восстановления снижается при возраста-
нии ЛПЭ излучения.
• Способность к восстановлению клеток, оцениваемая по
разным критериям (по способности к репарации потенциаль-
нолетального поражения и к восстановлению при дроблении
дозы на фракции, а также по увеличению выживаемости при
снижении мощности дозы излучения) по-разному проявляется
в отношении каждого из этих критериев. Вероятно, что в каж-
дом из трех тестов выявляется работа различных систем репа-
рации.
ГЛАВА
9 МОДИФИКАЦИЯ
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ.
КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ
Направленное изменение радиочувствительности биологиче-
ских объектов
Количественный критерий модификации радиочувствительно-
сти
Кислород — один из наиболее сильных радиосенсибилизаторов
Механизм повышения радиочувствительности клеток при дей-
ствии кислорода
Зависимость сенсибилизирующего действия кислорода от его
концентрации
Электронакцепторные соединения
В 1912 г. Г. Шварцем было замечено, что после рентгенотера-
пии опухолей на гиперемированной коже больных остается более
светлая область, повторяющая форму окна тубуса рентгеновской
трубки, которую в те годы старались плотно прижать к коже, что
вызывало временную локальную ишемию. Как выяснилось позд-
нее, именно прекращение кровотока и вызванное им снижение
концентрации кислорода было причиной уменьшения лучевых
реакций. Сейчас установлено, что кислород является одним из
наиболее сильных модификаторов радиочувствительности. Явле-
ние зависимости тяжести лучевого поражения от содержания ки-
слорода в окружающей клетки среде — усиление при повышении
концентрации и уменьшение при ее снижении — в радиобиоло-
гии называют кислородным эффектом (КЭ).
Однако прежде чем перейти к детальному рассмотрению ки-
слородного эффекта, остановимся на количественных критериях
радиомодифицирующего действия того или иного агента.
9.1. Вопросы терминологии и количественные
критерии радиомодифицирующего эффекта
В радиационной биологии принято говорить о радиосенсиби-
лизирующих и радиозащитных веществах (и агентах); при этом
Имеется в виду, что идеальные сенсибилизаторы или защитные ве-
135
щества сами по себе не влияют на конечный эффект облучения.
Кроме того, радиомодификаторами принято называть агенты, ко-
торые должны присутствовать или воздействовать на клетку (если
это агенты физической природы) непосредственно в момент облу-
чения.
Для оценки радиомодифицирующего эффекта используют три
критерия. Основной из них — фактор изменения дозы (ФИД) —
отношение равноэффективных доз в опыте и контроле; при этом
как при усилении, так и при ослаблении лучевого эффекта берется
отношение большей дозы к меньшей.
Иногда используют два других критерия: абсолютная величина
разности между показателями в опыте (облучение с используемым
модифицирующим агентом) и в контроле (само по себе облучение
в той же дозе), а также и индекс эффекта — отношение показате-
лей воздействия в опытной и контрольной группах. Второй и тре-
тий критерии дают неполное представление о степени модифици-
рующего эффекта, так как этот эффект всегда зависит от величины
доз, при которых производится оценка; поэтому их обычно ис-
пользуют только для качественной оценки наличия или отсутст-
вия эффекта в поисковых исследованиях.
Величина ФИД (ранее также называвшаяся ФУД — фактор
увеличения или фактор уменьшения дозы) является наиболее пол-
ной характеристикой эффективности модификатора. Для ее опре-
деления нужно располагать дозовыми зависимостями исследуемо-
го эффекта, например кривыми выживания в опыте и контроле.
На рис. 9.1 представлены кривые выживаемости клеток китай-
ского хомячка при облучении в оксигенированном и аноксиче-
ском состояниях. Для снижения фракции выживших клеток до
0,01 (1%) от исходной при облучении на воздухе потребовалась
доза в 8,9 Гр, при облучении в аноксии — 25 Гр, Z>0 соответственно
равна 1,5 и 4,5 Гр. Кислород, таким образом, повысил радиочувст-
вительность клеток в 2,8 раза (25 : 8,9 = 2,8), т. е. он сенсибилизи-
ровал клетки с ФИД = 2,8.
При рассмотрении радиомодифицирующего действия кисло-
рода величину ФИД часто называют коэффициентом кислородно-
го усиления (ККУ), что является дословным переводом исполь-
зуемого в англоязычной литературе термина «oxygen enhancement
ratio» (OER).
Если экспериментальные точки кривых выживаемости, полу-
ченных при облучении клеток в разных условиях оксигенации,
были аппроксимированы с помощью модели многих попаданий,
то мерой радиочувствительности в области больших доз (соответ-
136
Рис. 9.1. Кривые выживаемости
клеток китайского хомячка
линии FAF, клон 431, при
у-облучении на воздухе и в
аноксии:
1 — облучение оксигенированных
клеток: питательная среда уравнове-
шена с воздухом, D„ = 1,5 Гр;
2—облучение аноксических клеток:
питательную среду в течение часа
уравновешивали с азотом высокой
частоты, вытесняющим из нее рас-
творенный кислород, D„ = 4,5 Гр
ствующих прямолинейным участкам кривых доза—эффект) может
служить величина 1/Р0 (напомним, что показателем радиочувст-
вительности клеток, тканей или организмов является величина,
обратная дозе, вызывающей определенный эффект). В этом случае
ККУ (ФИД) может быть определен соотношением величин 1/£>0.
В данном случае ККУ равен 3,0.
На практике часто приходится обсуждать не сенсибилизирую-
щие свойства кислорода, а радиозащитное действие гипоксии.
Дело в том, что человек исходно находится в условиях, когда сен-
сибилизация клеток кислородом почти достигает своего максиму-
ма. Это касается как нормальных тканей человека, так экспери-
ментов с клетками, культивируемыми in vitro. Поэтому в экспери-
ментальных условиях приходится создавать именно условия ги-
поксии, а не сенсибилизировать гипоксические клетки. С другой
стороны, в такой важнейшей области практического применения
радиобиологии, как лучевая терапия злокачественных новообра-
зований, гипоксия опухолевых клеток является одним из важных
факторов, лимитирующих успех лечения (см. гл. 21), и значитель-
ное внимание уделяется именно сенсибилизации гипоксических
опухолевых клеток. В итоге необходимость обсуждать в практиче-
ском плане как сенсибилизирующее действие кислорода, так и за-
щитное действие гипоксии привела к одновременному использо-
ванию двух терминов — и ККУ, и ФИД гипоксии (гипоксической
защиты), но во всех случаях с точным указанием концентраций
Кислорода во время облучения и «контрольного», и «опытного»
объектов.
137
9.2. Механизм и основные характеристики
радиомодифицирующего действия кислорода
Радиомодифицирующее действие кислорода связано с его
электронакцепторными свойствами, благодаря которым он при-
соединяется к радикалам ДНК, образующимся при прямом и кос-
венном действии излучений. При ионизации атомов на одном из
участков макромолекулы образуется неспаренный электрон, ко-
торый и захватывается кислородом на свою орбиту, и кислород,
таким образом, присоединяется к молекуле ДНК в месте разрыва
одной из химических связей. Такая модификация макромолекулы
снижает эффективность ее репарации, а также меняет закодиро-
ванную в ней информацию, что при синтезе белка приводит к
вставке в молекулу «неправильного» аминокислотного остатка
(см. гл. 6).
Помимо «фиксации», уменьшения репарабельности лучевых
повреждений за счет присоединения к радикалам ДНК, кислород
также способствует формированию более активных продуктов ра-
диолиза воды, тем самым увеличивая число «первичных» повреж-
дений макромолекул.
Увеличивать радиочувствительность наряду с кислородом мо-
гут и другие соединения, обладающие электронакцепторными
свойствами. Такие соединения специально разрабатываются для
сенсибилизации гипоксических опухолевых клеток, повышенная
радиорезистентность которых отрицательно влияет на эффектив-
ность лучевой терапии (см. гл. 21). Некоторые из них используют-
ся в клинической практике.
Антагонистами кислорода, его конкурентами за взаимодейст-
вие с радикалами макромолекул в клетке выступают эндогенные
доноры электрона, в первую очередь соединения, имеющие
SH-группы. При присоединении электрона макромолекула теряет
свою химическую активность (электроны становятся парными) и
уже не взаимодействует с кислородом. Поэтому при изменении в
клетке концентрации эндогенных SH-содержащих соединений,
например глютатиона, кислород начинает сенсибилизировать
клетки при более низком парциальном давлении. Действие мно-
гих радиозащитных препаратов (см. гл. 19) основано на повыше-
нии количества SH-соединений в клетке.
Рассмотрим основные показатели радиомодифицирующего
действия кислорода и их зависимость от условий облучения. Пре-
жде всего подчеркнем, что кислород является одним из самых
сильных модификаторов радиочувствительности. В примере, по-
138
казанном на рис. 9.1, ФИД аноксии, оцененный по двум близким
критериям поражения, равен 2,8 и 3,0. Столь сильный модифици-
рующий эффект в радиобиологии встречается очень редко.
В течение долгих лет считалось, что кислород является «иде-
альным» модификатором лучевого поражения, одинаково изме-
няющим радиочувствительность клетки во всем диапазоне доз из-
лучения. Основанием для такой точки зрения служило то обстоя-
тельство, что гипоксия меняла наклон кривой выживаемости (Do),
не меняя экстраполяционное число п, которое в рассматриваемом
примере и на воздухе, и в гипоксии равно 5. Поэтому для оценки
ФИД гипоксической защиты облучение клеток раньше проводили
в основном в больших дозах, чтобы как можно точнее определить
величины Do. Кислород и был бы «идеальным» модификатором,
если бы кривые доза—эффект экстраполировались к п = 1. Однако
при значении экстраполяционного числа п > 1 начальный участок
кривой для аноксических условий должен раньше и более быстро
приближаться к 1, чем кривая для оксигенированных клеток, в
результате чего степень гипоксической защиты в области малых
доз снижается. Как показали исследования, в которых выживае-
мость клеток изучали в области доз от 0,5 до 3 Гр, при дозах 1—2 Гр
ФИД аноксии равен 2—2,5, в то время как в тех же условиях в об-
ласти доз 10 Гр при облучении на воздухе и 30 Гр при облучении в
аноксических условиях ФИД был равен 3,0—3,5.
Для проявления сенсибилизирующего действия кислород дол-
жен находиться в клетке непосредственно в момент радиационно-
го воздействия или поступить в клетку в течение нескольких мик-
росекунд после акта ионизации. В опытах с облучением аноксиче-
ских бактериальных клеток короткими, длящимися всего 2 мкс,
импульсами электронов, показано, что оксигенация клеток всего
через 2 мс после окончания облучения уже незначительно увели-
чивает их радиочувствительность. Более поздняя оксигенация
клеток вообще неэффективна. С другой стороны, кислороду не
требуется много времени и для сенсибилизации ранее аноксиче-
ских клеток. Оксигенация всего за 20 мс до облучения делает клет-
ки столь же радиочувствительными, как и те, что постоянно нахо-
дились в контакте с воздухом. Такая скорость изменения радио-
чувствительности клеток обусловлена физико-химическим дейст-
вием кислорода, а не его влиянием на обменные процессы.
Динамика проявления кислородного эффекта (КЭ) на клетках
млекопитающих принципиально не отличается от наблюдаемой
на бактериальных системах. На примере клеток китайского хомяч-
ка линии И79 показано, что подведение к ним кислорода спустя
5 мс после облучения лишь немного увеличивает их радиочувстви-
тельность. Наоборот, введение кислорода в аноксическую среду
139
Парциальное напряжение
кислорода, мм рт. ст.
Рис. 9.2. Зависимость ККУ от парциального напряжения кислорода во
время облучения:
парциальное напряжение кислорода отложено на линейной шкале
всего за 2 мс до облучения сенсибилизировало клетки до уровня
хорошо оксигенированных. В литературе упоминается и несколь-
ко большее время, требуемое для полной сенсибилизации, —
40 мс, но все равно это время составляет доли секунды и необходи-
мо только для диффузии кислорода от источника его поступления
в среду до внутриклеточных мишеней.
Весьма важно рассмотреть зависимость ККУ от концентрации
кислорода в среде. Для ее варьирования используют уравновеши-
вание питательной среды с газовыми смесями, содержащими все
уменьшающееся количество кислорода, вплоть до чистых инерт-
ных газов. Впервые форму такой зависимости установил Л. Грей с
сотрудниками в 50-х годах, и она обычно приводится в руководствах
по радиобиологии в виде кривой, показанной на рис. 9.2. На этом
рисунке на линейной шкале абсцисс откладывается парциальное
давление кислорода, рО2 (или концентрация кислорода в равно-
весной с клетками газовой среде), а на линейной ордина-
те — ККУ, оцениваемый либо по соотношению равноэффектив-
ных доз при определенном уровне выживаемости клеток, либо по
отношению наклонов кривых выживаемости — величинам DQ.
Однако использование линейной шкалы для парциального давле-
ния кислорода не позволяет следить за изменением ККУ в области
низких концентраций О2. Гораздо нагляднее эта зависимость про-
слеживается при использовании логарифмической оси абсцисс,
на которой откладывается рО2 (рис. 9.3). Логарифмическая шкала
концентраций кислорода не имеет нулевого значения, поэтому в
практическом плане можно предложить называть аноксическим
140
ККУ(т)
Парциальное напряжение кислорода, мм рт. ст.
Рис. 9.3. Усредненная зависимость ККУ (т — уравнения
Говарда-Фландерса — Альпер) от парциального напряжения кислорода во
время облучения, построенная по данным для нескольких линий животных
клеток, полученных разными авторами с использованием у-излучения
состояние клеток, находящихся при рО2 ниже 0,1 мм рт.ст., так как
при более глубоком снижении концентрации кислорода радиоре-
зистентность клеток не увеличивается. В области высоких концен-
траций кислорода состоянием полной оксигенации, с практиче-
ских позиций, можно считать 160 мм рт. ст., которые достигаются
при уравновешивании питательной среды с воздухом. В возду-
хе при температуре 37 °C содержится 20,92% О2, что на уровне
моря соответствует парциальному давлению кислорода, равному
-159 мм рт. ст. (0,209 от 760 мм рт. ст.).
Таким образом, в полулогарифмической шкале координат за-
висимость ККУ от рО2 имеет 5-образный вид. Наиболее круто ра-
диорезистентность клеток увеличивается (уменьшается ККУ) при
снижении рО2 в области значений от 20 до 0,1 мм рт. ст., и уровень
оксигенации клеток в этом диапазоне далее мы будем считать ги-
поксическим состоянием.
Связь между концентрацией кислорода во время облучения и
радиочувствительностью, показанная на рис. 9.2 и 9.3, аналитиче-
ски описывается уравнением, предложенным П. Говардом-Флан-
Дерсом и Т. Альпер, исходя из представлений о конкурентном ха-
рактере взаимодействия окислителей (кислорода) и восстановите-
лей в «фиксации» лучевого поражения макромолекул, под которой
понимается перевод поражения в нерепарируемое состояние.
Формула имеет вид:
141
l/Z>0(O] m[O]+K
lx lx У —-----—-------- ,
1/Z)O(J) [0]+[K]
где Z>0[O] и 2)0(Л) — величины, характеризующие радиочувстви-
тельность (Dq) при изучаемой концентрации кислорода [О] и в
аноксии (А); т — максимальная величина ККУ при облучении
клеток в условиях полной оксигенации; К — константа, равная
концентрации кислорода, при которой радиочувствительность яв-
ляется средней между максимальной и минимальной (равной 2,
среднему между 3 и 1). В примере, приведенном на рис. 9.3, вели-
чина К составляет 2,5 мм рт. ст., что соответствует ~ 0,32% О2 в рав-
новесной с клетками газовой фазе, а т = 3. Для разных клеток мле-
копитающих величина К варьирует в пределах от 2 до 6 мм рт. ст.
Максимальная величина ККУ при использовании у-излучения
достигает 3,5, обычно равняясь 3. Для рентгеновских лучей, соз-
дающих несколько более плотные треки электронов, ККУ состав-
ляет 2,6—2,8, хотя в некоторых работах, где удаление следов ки-
слорода проводилось особенно тщательно, ККУ для рентгенов-
ских лучей достиг 3,0. Правда, встольжетщательно выполненных
экспериментах с у-излучением ККУ был равен 3,5. Различие в ве-
личинах ККУ для у- и рентгеновского излучения следует иметь в
виду при анализе литературных данных, рассматривающих резуль-
таты определения величин т и К для разных клеток. Оба вида из-
лучения и рентгеновское, и у-излучение относятся к редкоиони-
зирующим, однако средняя ЛПЭ у рентгеновских лучей несколько
выше, чем у у-излучения, так что отличия в результатах определе-
ния т и К разными авторами могут быть не только следствием ис-
пользования разных объектов, но и разных источников излучения.
Величина кислородного эффекта зависит от ЛПЭ излучения,
снижаясь при ее возрастании. При ЛПЭ свыше 150 кэВ/мкм ки-
слород перестает модифицировать радиочувствительность клеток
(рис. 9.4). Промежуточное значение (1,6) имеют быстрые нейтро-
ны с энергией 15 МэВ и ЛПЭ 80 кэВ/мкм. В полном виде зависи-
мость ККУ от ЛПЭ представлена на рис. 9.5
Общепринятых представлений о причинах снижения радиоза-
щитного действия гипоксии для плотноионизирующих излучений
не существует. Одно из них объясняет снижение защитного дейст-
вия гипоксии фактором объема локального поражения ДНК, ко-
торое при действии плотноионизирующих излучений столь вели-
ко, что вообще не репарируется, независимо от того, присоеди-
нился ли кислород в местах разрыва внутримолекулярных связей
142
Доза излучения, Гр Доза излучения, Гр
б в
Рис. 9.4. Кривые выживаемости клеток почки человека при действии
излучений с разными ЛПЭ (по Г. Барендсену и др., 1966; Й. Броерзе и др.,
1967):
а — 250 кВ рентгеновское излучение, ЛПЭ ® 1,3 кэВ/мкм; ККУ на уровне выживаемо-
сти, равной 0,2 от исходной, составляет 2,5; б— нейтроны с энергией 15 МэВ,
ЛПЭ « 80 кэВ/мкм, ККУ= 1,6; в — а-частицы 21“Ро с энергией 2,5 МэВ,
ЛПЭ = 166 кэВ/мкм, ККУ= 1; светлые значки — облучение клеток в аэрированной сре-
де, темные значки — облучение клеток в аноксии
или нет. Добавим, что, согласно а, p-модели лучевого поражения,
при увеличении ЛПЭ в поражении клетки все большую роль игра-
ет a-компонента, отражающая крупные, плохо модифицируемые
локальные поражения ДНК. ККУ для a-компоненты, определен-
ный при рентгеновском облучении клеток, равен 1,15, в то время
как для p-компоненты равен 3,3 [Петтерсен Э.О. и Ванг Г., 1996].
Добавим, что малая модифицируемость a-компоненты радиаци-
143
ККУ, (т)
Рис. 9.5. Коэффициент кислородного усиления (ККУ) как функция ЛПЭ
при облучении клеток почки человека (по Г. Барендсену, 1966):
А — 250 кВ рентгеновское излучение, ЛПЭ » 1,3 кэВ/мкм; • — моноэнергетические тя-
желые частицы, имеющие ЛПЭ, указанные на оси абсцисс
онного поражения и ее преимущественная роль при облучении
клеток с высокой ЛПЭ объясняет также пониженную репарируе-
мость поражений, нанесенных плотноионизирующими частица-
ми, и низкие ФИД как радиосенсибилизаторов, так и протекторов.
Другая, более ранняя точка зрения основывается на данных о
выделении в треке плотноионизирующего излучения молекуляр-
ного кислорода, который и увеличивает поражение критических
мишеней клетки. При высокой плотности ионизации в воде гид-
роксильные радикалы образуются так близко друг к другу, что
взаимодействуют с образованием перекиси водорода:
ОН + ОН -> Н2О2
Далее идут следующие реакции:
Н2О2 + Н2О2 -> Н2О2 + но2
НО2 + ОН -> Н2О + 02
НО2 + НО2 -> Н2О2 + 02
которые приводят к выделению молекулярного кислорода. На
микрометр пути электрона, возникающего при у-облучении, обра-
зуется до 10 пар ионов, а на микрометр пути альфа-частицы — 3000
пар, так что количество образующегося в треке кислорода сущест-
венно разнится, что и определяет снижение ККУ.
В нескольких работах ККУ был определен для клеток в разных
стадиях цикла. Оказалось, что он минимален для клеток в митозе и
144
максимален в 5-фазе. По данным Фрейера и соавторов (1991), у
клеток китайского хомячка линии СНО ККУ равен 2,3—2,4 в фазе
G{, 2,8—2,9 в 5-фазе и 2,6—2,7 в фазе Gv
Заключая рассмотрение кислородного эффекта, отметим, что
знание деталей возрастания резистентности клеток в условиях ги-
поксии важно в практическом плане, так как оно является отрица-
тельным моментом при лучевой терапии злокачественных ново-
образований. Причина лежит в возникновении в опухоли зон хро-
нической и острой гипоксии, практически отсутствующих в здо-
ровых тканях. Напомним, что у человека рО2 газовой среды в
легких соответствует « 100—110 мм рт. ст., уровень оксигенации
артериальной крови в норме равен 95 — 100 мм рт. ст., венозной
крови — 30—60 мм рт. ст., так что клетки большинства нормаль-
ных тканей находятся при рО2 от 20 до 100 мм рт. ст. Уровень окси-
генации нормальных тканей обеспечивает их максимальную ра-
диочувствительность. Напротив, злокачественные новообразова-
ния характеризуются в целом более низкой оксигенацией и нали-
чием гипоксических зон, где рО2 составляет всего несколько
миллиметров ртутного столба, что избирательно увеличивает их
радиорезистентность. Поэтому разработка методов преодоления
радиорезистентности опухолей, обусловленной гипоксическими
клетками, является одной из важных задач радиационной онколо-
гии, о чем более подробно будет сказано в гл. 21.
РЕЗЮМЕ
• Радиобиология располагает методами усиления лучевого
поражения с помощью агентов химической и физической при-
роды, которые рассматриваются как радиосенсибилизаторы, и
методами ослабления лучевого поражения с помощью радио-
протекторов.
• Количественным критерием степени изменения радио-
чувствительности объекта является ФИД — фактор изменения
дозы, определяемый по соотношению доз излучения, необхо-
димых для получения одинакового эффекта при облучении
объекта в «контрольных» условиях и при применении радио-
модифицирующего агента.
• Одним из наиболее значимых для различных разделов ра-
диобиологии модификаторов радиочувствительности является
кислород. Зависимость радиочувствительности от концентра-
145
ции кислорода в окружающей среде в момент облучения носит
название кислородного эффекта.
• Сенсибилизирующий эффект кислорода является следст-
вием его высокого сродства к электрону (окислительной ак-
тивности), благодаря которому он легко присоединяется к
макромолекулам ДНК в местах разрывов межатомных связей,
вызванных ионизацией. Присоединение кислорода снижает
эффективность работы систем репарации ДНК.
• Радиорезистентность клеток быстро увеличивается при
снижении рО2 от 20 мм рт. ст. до нулевых значений. Максимум
резистентности достигается в аноксических условиях. Наобо-
рот, увеличение рО2 свыше 20 мм рт. ст. на радиочувствитель-
ности клеток практически не сказывается.
• При действии редкоионизирующих излучений ФИД
аноксии достигает 3 в области больших доз и составляет
2,0—2,5 при облучении клеток в дозах до 2 Гр.
Радиомодифицирующий эффект кислорода зависит от
ЛПЭ излучений. Эффект максимален при действии редкоио-
низирующих излучений (ЛПЭ в диапазоне 1—2 кэВ/мкм) и
снижается до 1 при ЛПЭ « 150 кэВ/мкм.
• Наиболее важен учет кислородного эффекта при лучевой
терапии опухолей, для которых характерен переход части кле-
ток в гипоксическое состояние. В большинстве нормальных
клеток гипоксические клетки отсутствуют.
ГЛАВА
1 О ОТНОСИТЕЛЬНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ (ОБЭ)
ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ
Связь ОБЭ с ЛПЭ
Методы оценки ОБЭ
Эффект «перепоражения»
ОБЭ и кислородный эффект
Другие факторы, влияющие на величину ОБЭ
Ограничения в концепции ОБЭ
Эквивалентная доза
Эффективная доза
При описании физических основ биологического действия ра-
диации указывалось, что воздействие разными видами излучений,
но в равных поглощенных дозах приводит к различным по величи-
не эффектам. Это свойство излучения, часто называемое его каче-
ством, определяется не столько физической природой излучения,
сколько его Л ПЭ. Для количественной оценки качества излучения
введено понятие относительной биологической эффективности
(ОБЭ).
10.1. Методы оценки ОБЭ и ее связь с линейной
передачей энергии
ОБЭ оценивают сравнением дозы излучения, вызывающей оп-
ределенный биологический эффект, с дозой стандартного излуче-
ния, обусловливающей тот же эффект. Ранее в качестве стандарт-
ного принималось рентгеновское излучение, генерируемое при
напряжении на трубке в 180—250 кВ. Значение (величину, коэф-
фициент) ОБЭ вычисляют из отношения сравниваемых доз по
формуле:
ОБЭ = Dr/Dx,
где Dr — доза рентгеновского излучения, Гр; Dx — доза изучаемо-
го излучения, Гр; при этом эффект сравнивают по одному и тому
147
10 нм
Ъ°
Дейтрон
3,5 МэВ
Рис. 10.1. Отрезок траекторий различных заряженных частиц, дающий
представление о распределении актов ионизации и возбуждения в
критическом микрообъеме в зависимости от ЛПЭ
О-Первичная о.Вторичная .-Возбуждение
ионизация ионизация
а-Частица
4 МэВ
Электрон
0,5 МэВ
же показателю. Сейчас принимается, что в качестве стандартного
можно использовать у-излучение, которое широко применяется
при лучевой терапии опухолей и для которого соответственно из-
вестны количественные данные о связи с дозой самых разных эф-
фектов поражения. Следует иметь в виду, что ОБЭ у-излучения
(эффективность действия на единицу поглощенной дозы по срав-
нению с рентгеновским излучением) составляет 0,8—0,9.
В первом приближении можно считать, что при тщательном
соблюдении экспериментальных условий сравнения эффектов
ОБЭ зависит только от ЛПЭ.
Поэтому, например, протоны, дейтроны и а-частицы, уско-
ренные до высоких энергий (200 МэВ и более), имеют приблизи-
тельно такую же эффективность, как и рентгеновское излучение,
генерируемое при энергии 200 кВ, так как они характеризуются
близкими значениями ЛПЭ. Те же виды излучения, но с меньши-
ми энергиями и соответственно с большей ЛПЭ, обладают и боль-
шей ОБЭ.
Увеличение ОБЭ с ростом ЛПЭ легко понять из данных
рис. 10.1, где схематически представлено распределение актов ио-
низации вдоль треков заряженных частиц различной природы и
148
1
Доза излучения, Гр
Рис. 10.2. Кривые выживания клеток почки человека, подвергнутых
облучению (по Г. Барендсену, 1968):
/ — рентгеновское излучение; 2—нейтроны; 3 — а-излучение
энергии в микрообъеме, от поражения которого зависит проявле-
ние регистрируемой реакции. Видно, что эффективный объем мо-
жет совсем не поражаться при воздействии редкоионизирующих
излучений; с ростом Л ПЭ вероятность поражения увеличивается.
На рис. 10.2 представлены результаты облучения клеточной
культуры тремя видами ионизирующей радиации, резко разли-
чающимися по ЛПЭ: рентгеновским излучением 250 кэВ, нейтро-
нами 15 МэВ и а-частицами. Их ЛПЭ увеличивается от 1,3
кэВ/мкм у рентгеновского излучения до 100 кэВ/мкм у а-частиц.
По мере роста ЛПЭ, увеличивается наклон кривых и уменьшается
экстраполяционное число (сокращается плечо на начальном от-
резке кривых), достигая единицы при а-облучении.
Следовательно, с ростом ЛПЭ повышается поражаемость кле-
ток и снижается их способность к восстановлению. Соотношение
ЛПЭ и ОБЭ имеет максимум. Как видно из рис. 10.3, ощутимый
рост ОБЭ начинается с Л ПЭ, равной 10 кэВ/мкм, достигает макси-
мального значения при ЛПЭ — 100 кэВ/мкм; с последующим уве-
личением ЛПЭ круто падает. Причина этого явления состоит в
том, что гибель клетки происходит после поглощения достаточно-
го количества энергии в некотором критическом объеме. Естест-
венно, что с ростом ЛПЭ такая вероятность увеличивается. Но по-
сле некоторых величин ЛПЭ наступает насыщение, и каждая по-
следующая частица теряет энергию уже в убитой клетке; следова-
149
ОБЭ
8
7
6
5
6
3
2
I
i । । i 111 il । । । । । 11 il i i i ,.i i jj il_i i—i i i 11 il »
0,1 1 10 100 1000
ЛПЭ, кэВ/мкм ткани
Рис. 10.3. Зависимость ОБЭ от ЛПЭ и дозы излучения для выживаемости
клеток почек человека (по Г. Барендсену, 1968):
уровень выживаемости клеток: 7 — 80%; 2— 10%; 3—1% (объяснение в тексте)
Рис. 10.4. Иллюстрация избыточного поражения клетки (по Э. Холлу, 2000):
максимальная ОБЭ проявляется при ЛПЭ 100 кэВ/мкм, когда достаточно двух
попаданий в мишень (около 2 нм) для возникновения двойного разрыва ДНК, следст-
вием которого является гибель клетки, мутация или онкогенная трансформация.
Дальнейший рост ЛПЭ сопровождается «перепоражением»
тельно, эффективность излучений с такой достаточно высокой
ЛПЭ падает, так как энергия расходуется вхолостую.
Это явление наглядно представлено на рис. 10.4, где показано,
что после оптимального значения ЛПЭ, когда наблюдается макси-
мум пораженных единиц на единицу дозы (т. е. разменивается ров-
но столько энергии, сколько нужно для поражения всех мише-
ней), наступает эффект избыточного поражения («пере поражения»,
overkill).
Такова общая картина связи ОБЭ с ЛПЭ. В действительности
она оказывается более сложной. В основном это объясняется тем,
что обычно в расчет принимают средние величины Л ПЭ, но расчет
ОБЭ по средней величине ЛПЭ — лишь грубое приближение, при
котором теряются детали пространственного распределения ио-
нов. Особенно сильно это сказывается при нейтронном облуче-
нии, характеризующемся размытым спектром энергий, а следова-
тельно, и разбросом значений ЛПЭ.
В специальной области дозиметрии — микродозиметрии, учи-
тывающей микрораспределение актов ионизации в различных
внутриклеточных структурах, изучается его отражение на кривых
выживания при различных условиях облучения.
10.2. Зависимость ОБЭ от условий облучения
и других факторов
Величина ОБЭ зависит не только от вида излучения и его Л ПЭ,
но и от исследуемого эффекта, а также от множества других факто-
ров, перечислить которые, по существу, невозможно. Главные из
них, которые всегда следует учитывать, — это величина и мощ-
ность дозы, режим фракционирования, дефицит или отсутствие
кислорода.
На рис. 10.5 представлен пример зависимости ОБЭ от регист-
рируемой реакции (и одновременно от ЛПЭ). Наибольший ле-
тальный эффект наблюдается при ЛПЭ, равной 100 кэВ/мкм, то-
гда как задержка клеточного деления продолжает усиливаться и
при дальнейшем увеличении ЛПЭ, достигая максимума при
200—300 кэВ/мкм. Видно, что степень различий абсолютных ве-
личин ОБЭ в зависимости от изучаемой реакции меняется при
сравнении на разных уровнях ЛПЭ.
Весьма важна и практически значима зависимость ОБЭ от
дозы и ее распределения во времени. Зависимость от дозы видна,
например, на рис. 10.3 кривые 1, 2и 3отражают соответственно 80,
151
ЛПЭ, кэВ/мкм
Рис. 10.5. Зависимость ОБЭ от
регистрируемой реакции и от
ЛПЭ при облучении культуры
фибробластов ядрами Не, С, О
и Аг с энергией 10 МэВ/нуклон
(по Л. Скарсгарду, 1965):
1 — задержка деления; 2 — выживае-
мость
10 и 1 % выживаемости клеток человека. Видно, что абсолютная ве-
личина ОБЭ не является постоянной, а зависит от степени пораже-
ния, снижаясь с ее увеличением. В данном случае при 80—90%-х
уровнях выживаемости клеток почки человека ОБЭ составляет
около 8, а при 10—1%-й выживаемости — около 3.
На рис. 10.6 изображены типичные кривые выживания клеток
млекопитающих после рентгеновского и нейтронного облучения.
При однократном облучении (см. рис. 10.6, а) кривая, характери-
зующая действие рентгеновских лучей, имеет в начальном отрезке
большое плечо, которое почти отсутствует на кривой, отражаю-
щей результат нейтронного облучения. Последняя, однако, имеет
несколько более крутой наклон конечного участка. В результате
ОБЭ оказывается максимальной (3,0) при меньших дозах (в зоне
плеча) и уменьшается с ростом дозы до 1,5.
При фракционированном облучении, например четырехкрат-
ном (см. рис. 10.6, б), ОБЭ также растет по мере увеличения числа
фракций. Это происходит потому, что при дроблении дозы рентге-
новского излучения каждый раз жизнеспособность клеток частич-
но восстанавливается, что почти не наблюдается при фракциони-
рованном облучении быстрыми нейтронами. В процессе увеличе-
ния числа фракций такая утрата эффективной дозы рентгеновско-
го излучения нарастает. В результате при фракционированном
воздействии нейтронами и рентгеновским излучением дозовые
различия в эффектах выражены в значительно большей степени,
чем при однократном.
Сравнение доз, снижающих выживание до уровня 0,01 от ис-
ходной (см. рис. 10.6, а и б), позволяет заметить, что ОБЭ нейтро-
нов при однократном облучении составляет 1,5, а при фракциони-
рованном — 2,6. Иными словами, один и тот же эффект может
быть достигнут при фракционированном облучении нейтронами в
152
Рис. 10.6. Зависимость ОБЭ быстрых нейтронов от дозы излучения
(по Э. Холлу, 1971):
а — при однократном облучении; б— при фракционированном облучении
(объяснение см. в тексте)
Рис. 10.7. Изменение ККУ и ОБЭ как
функции ЛПЭ. Данные получены Г. Ба-
рендсеном (1972) при облучении клеток
почки человека линии Т1 а-частицами
или ускоренными дейтронами
относительно меньших суммарных дозах (по сравнению с суммар-
ной дозой рентгеновского излучения), чем при однократном облу-
чении. Это явление используют при терапии опухолей нейтрона-
ми и другими тяжелыми ядерными частицами, характеризующи-
мися большой ЛПЭ (см. гл. 21).
Зависимость ОБЭ от распределения дозы во времени может
быть выявлена не только
при фракционированном
облучении, но и при изме-
нении мощности дозы. Так,
в лаборатории Г. Ивенса в
опытах на традесканции
было показано, что быстрые
нейтроны при пролонгиро-
ванном облучении в течение
нескольких минут в 10 раз
эффективнее индуцировали
выход хромосомных аберра-
ций, чем у-излучение. При
пролонгированном облуче-
153
нии в той же суммарной дозе, но продолжавшемся 49 ч, ОБЭ дос-
тигала 80.
ОБЭ плотноионизирующих излучений повышается в условиях
дефицита кислорода, благодаря устранению защитного действия
гипоксического фактора с ростом ЛПЭ (рис. 10.7), что может быть
использовано в лучевой терапии опухолей, характеризующихся
наличием гипоксических зон. Это было отчетливо продемонстри-
ровано цитогенетическими экспериментами А. Конжера и
Г. Ивенса, показавшими на разных объектах, что ОБЭ быстрых
нейтронов, оцененная по аберрациям хромосом в клетках асцит-
ной карциномы Эрлиха и по образованию микроядер в клетках
конских бобов, составила в аэробных условиях соответственно 2,5
и 10,5, а в анаэробных — 6 и 18.
10.3. Границы применения концепции ОБЭ
Из вышесказанного следует, что ОБЭ зависит от многих фак-
торов и ее абсолютная величина для того или иного вида излуче-
ния может быть различной в разных условиях воздействия, а также
в зависимости от оцениваемого эффекта. Наиболее сильно ОБЭ
зависит от Л ПЭ, а так как Л ПЭ тесно связана с проникающей спо-
собностью ионизирующих излучений, то корректная оценка ОБЭ
может быть выполнена лишь с учетом особенностей распределе-
ния дозы в облучаемом объекте. Если это обязательное требование
не выполняется, неизбежна неправильная интерпретация резуль-
татов.
В качестве примера можно привести опубликованные в свое
время материалы, послужившие основанием для ошибочного за-
ключения о наличии некоторых специфических качественных
особенностей воздействия определенных видов радиации. Из ни-
жеприведенной таблицы, в которой представлены эти данные,
можно сделать неправильный вывод о различиях в радиочувстви-
тельности мышей и крыс в зависимости от вида излучения. Между
тем причина такого наблюдения состоит в том, что при односто-
роннем рентгеновском облучении (как это происходило в данном
случае) распределение энергии в теле мыши значительно более
равномерно, чем у крысы, в костном мозге которой величина по-
глощенной дозы из-за этого относительно ниже. При у-облучении
большая проникающая способность у-квантов нивелирует неод-
нородность распределения энергии, которую не учитывали долж-
ным образом при дозиметрии.
154
ОБЭ для животных разных видов
Животные ЛД^,, Гр
Рентгеновское излу- чение, 180 кВ у-излучение “Со, 1,2 МэВ ОБЭ у-излучения
Мыши 6,0 7,5 0,8
Крысы 7,5 6,5 1,1
Наиболее точная оценка ОБЭ и ее зависимость от ЛПЭ могут
быть получены лишь в случае, когда в качестве объекта изучения
используют изолированные клетки или другие мелкие объекты, в
которых энергия излучения распределяется равномерно по всему
объему.
Результаты многочисленных экспериментов, проведенных на
более крупных животных, с очевидностью показали, что вычисле-
ние коэффициентов ОБЭ в большинстве случаев вообще теряет
смысл, так как не может быть обеспечена адекватность условий
опытов и прежде всего равномерность распределения поглощен-
ных доз в тканях от разных видов излучений. Весьма показательны
результаты исследований С. Риксфорда-Вильха, изучавшего по-
следствия локального облучения глаза обезьян протонами 14, 40,
187 и 730 МэВ в диапазоне доз 1,25—40 Гр. Протоны 14 и 40 МэВ
поглощаются соответственно в передней камере глаза и в стекло-
видном теле, протоны больших энергий проникают в головной
мозг. Такой характер распределения поглощенной дозы обусловил
и соответствующую клиническую картину поражения по ходу пуч-
ка: эритему кожи век, иридоциклит, кератит, эпиляцию, катарак-
ту, повреждение вещества мозга.
В подобных случаях отношение доз, вызывающих одинаковое
действие, правильнее называть не ОБЭ, а отношением равных эф-
фектов, независимо от механизма их образования.
Комитет по ОБЭ Международной комиссии по радиологиче-
ским единицам и измерениям предложил оставить концепцию
ОБЭ только в случаях, когда могут быть строго учтены все условия
эксперимента, а различия в биологическом действии сравнивае-
мых видов излучения определяются лишь свойствами последних.
Во всех остальных случаях знание величины поглощенной дозы
еще недостаточно для точного предсказания ни степени тяжести,
ни вероятности возникновения эффектов поражения. Поэтому
Для целей радиационной защиты введены два другие понятия: эк-
вивалентная доза и эффективная доза, которые лучше коррелиру-
155
ют с возможными неблагоприятными последствиями профессио-
нального облучения. Эквивалентная доза — это доза излучения,
поглощенная в органе или ткани и умноженная на взвешивающий
коэффициент для данного вида излучения. Эффективная доза —
эквивалентная доза, умноженная на взвешивающий коэффици-
ент, характеризующий значимость облучения того или иного орга-
на или ткани в развитии отдаленных последствий облучения. Эти
вопросы детально рассматриваются в третьей части книги (см. гл.
24.), там же даны численные величины взвешивающих коэффици-
ентов для разных видов излучения и разных тканей. Единицей как
эквивалентной, так и эффективной дозы является зиверт.
Например, при воздействии на организм 1 Гр у-излучения эк-
вивалентная доза будет равна 1 Зв, так как взвешивающий коэф-
фициент для фотонов любой энергии равен 1. Но при облучении
организма нейтронами с энергией от 2 до 20 МэВ в дозе 1 Гр экви-
валентная доза будет равна уже не 1, а 10 Зв, так как взвешиваю-
щий коэффициент для нейтронов такой энергии равен 10.
РЕЗЮМЕ
• ОБЭ ионизирующих излучений оценивают из отношений
доз, вызывающих равные биологические эффекты: DJDr, где
г — изучаемое излучение; х — стандартное, за которое ранее (и
официально в настоящее время) принимали рентгеновское из-
лучение, генерируемое при напряжении 180—250 кВ, а теперь
чаще всего принимается у-излучение.
• ОБЭ в первую очередь зависит от ЛПЭ; ОБЭ увеличивает-
ся с ростом ЛПЭ, достигая максимума при 100 кэВ/мкм, когда
регистрируется наибольший эффект на единицу поглощенной
дозы. С дальнейшим ростом ЛПЭ ОБЭ уменьшается из-за «пе-
репоражения», при котором часть энергии, подведенной к чув-
ствительным мишеням, расходуется «вхолостую» из-за ее из-
быточности для поражения находящейся в микрообъеме ми-
шени.
• Кроме ЛПЭ, на ОБЭ влияют и другие факторы: величина
дозы, число фракций, мощность дозы, особенности тестируе-
мой биологической системы, в частности, критерий оценки.
• По сравнению с однократным воздействием при пролон-
гированном или фракционированном облучении ОБЭ плот-
ноионизирующих излучений относительно редкоионизирую-
щих значительно увеличивается, благодаря характерным для
156
последних процессов восстановления, облегчающихся при
пролонгировании или фракционировании облучения.
• Эквивалентная доза — поглощенная доза, умноженная
на взвешивающий коэффициент для данного вида излучения.
• Эффективная доза — эквивалентная доза, умноженная
на взвешивающий коэффициент, характеризующий роль об-
лучения определенного органа или ткани в развитии отдален-
ных последствий лучевого воздействия.
ГЛАВА
1 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О МЕХАНИЗМЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО
ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ
Разгадка основного радиобиологического парадокса — кри-
терий правильности теории
Количественные и качественные подходы к проблеме
Классический формализм — теория мишени и принцип по-
паданий
Радиационная гибель как вероятностная категория
Новые явления и судьба гипотез
Стохастический механизм реализации принципа попада-
ния — теоретическая основа биологического действия иони-
зирующих излучений
При описании основных вех формирования радиобиологии,
как и для развития других научных дисциплин, видна традицион-
ная зависимость возникновения и судьбы гипотез от возможности
интерпретации основополагающих экспериментальных фактов.
За более чем столетний период существования радиобиологии
как самостоятельной научной дисциплины возникало несколько
попыток теоретического осмысления механизмов биологического
действия ионизирующих излучений. Если не вдаваться в детали,
судьба предпринимаемых попыток зависела от их способности
объяснить основной радиобиологический парадокс, состоящий, как
упоминалось выше, в несоответствии между ничтожным количе-
ством поглощенной энергии излучения и возникающим при этом
экстремальным эффектом.
Все предпринятые попытки такого рода можно условно объе-
динить в два направления.
Одно из них, исторически более раннее, состоит в стремлении
установить наиболее общие, принципиальные, элементарные, как
правило, феноменологические (даже формальные), но обязатель-
но количественные закономерности, связанные с начальными
звеньями лучевого поражения клетки. Эти представления вошли в
историю под терминами классический формализм, или классицизм.
158
Они претерпели дальнейшее развитие в последние десятилетия
XX в. и получили признание как количественнаярадиобиология.
Другая группа объединяет представления, стремящиеся опи-
сать и обязательно объяснить самые разнообразные лучевые реак-
ции на всех уровнях биологической организации, часто пренебре-
гая количественными параметрами; отсюда — их качественный ха-
рактер. Они детально в критическом аспекте рассматривались в
прошлых изданиях учебника и, как показало время, сегодня поте-
ряли свое значение.
Поэтому далее будут рассмотрены лишь количественные пред-
ставления, наиболее полно удовлетворяющие возможности объяс-
нения радиобиологического парадокса:
1 — классическая теория мишени и принцип попадания;
2 — стохастическая теория, которую можно рассматривать как
логическую ступень в развитии классицизма.
11.1. Принцип попадания и теория мишени
В стремлении объяснить радиобиологический парадокс уже на
заре радиобиологии были сформулированы два принципа, лежа-
щие в основе так называемой теории мишени.
Первый из них — принцип попаданий — характеризует особен-
ности действующего агента — дискретность поглощения энергии
и вероятностный характер «попадания»;
второй — принцип мишени — характеризует важную особен-
ность облучаемого объекта — клетки, ее высокую структуриро-
ванность и гетерогенность в морфологическом и функциональном
отношениях.
Сочетание обоих принципов с позиций классического формализма
и определяет характер ответа на облучение, который зависит от
вероятности попадания в те или иные, резко различающиеся по функ-
циональной значимости внутриклеточные структуры.
История количественной радиобиологии восходит к началу
20-х годов прошлого столетия, когда Ф. Дессауэр сделал весьма
важное обобщение, распространив известные к тому времени фи-
зические закономерности взаимодействия излучения с веществом
на биологические объекты. Он предположил, что большой биоло-
гический эффект при ничтожном суммарном поглощении энер-
гии объясняется тем, что она концентрируется в крайне малых
объемах, приводя их к микролокальному разогреву; отсюда и на-
звание предложенной им гипотезы — гипотеза точечного тепла.
159
Учитывая наличие в клетке более важных и менее существен-
ных для жизни структур и микрообъемов, а также случайное рас-
пределение «точечного тепла», Ф. Дессауэр пришел к выводу о
том, что исход клеточной реакции зависит от вероятности случай-
ных попаданий дискретных порций энергии именно в эти жизнен-
но важные микрообъемы — мишени. Наблюдая за количествен-
ными закономерностями радиобиологических реакций, он пред-
положил, что они осуществляются лишь в том случае, если в клет-
ке произошло определенное число «попаданий» в мишень.
Действительно, если при анализе зависимости эффекта от
дозы принять в качестве регистрируемой реакции долю поражен-
ных объектов, то легко обнаружить две специфические черты дей-
ствия ионизирующих излучений.
1. Большинство клеточных реакций протекает практически
при отсутствии порога, с нарастанием эффекта при увеличении
дозы, что трудно объяснить изменением индивидуальной чувстви-
тельности, так как требует допущения ее невероятно высокой ва-
риабельности.
2. С повышением дозы кривые выживания отражают не столь-
ко степень проявления эффекта у отдельных клеток, сколько уве-
личение количества (доли) пораженных единиц, т. е. возрастание
вероятности проявления регистрируемой реакции.
Иными словами, летальный эффект ионизирующих излучений
имеет вероятностный характер вследствие случайного распреде-
ления элементарных актов первичного взаимодействия частиц с
чувствительными объемами облученных объектов. В этом и состо-
ит принципиальное значение первоначальных взглядов, хотя само
понятие «точечного тепла» и потеряло свое первоначальное значе-
ние.
Принцип попадания и теория мишени получили дальнейшее
развитие в трудах Д. Кроузера, Н. В. Тимофеева-Ресовского, К. Цим-
мера, Д. Ли и др.
Важно иметь в виду, что использование основных положений
теории мишени, по замыслу ее авторов, ограничивается строго оп-
ределенной областью — анализом самых первичных элементар-
ных радиационных событий. Это понятно даже из использован-
ных терминов — «мишень» и «попадание». При рассмотрении ра-
диобиологических эффектов на молекулярном и (или) клеточном
уровнях термин «мишень» удобно использовать для формального
обозначения того микрообъема, в котором должны произойти
одна или несколько ионизаций (попаданий), приводящих к изу-
чаемой реакции.
160
В зависимости от числа попада-
ний, необходимых для поражения,
различают одно-, дву- или много-
ударные объекты или реакции, при-
чем учитываются попадания в одну
или разные мишени, которые функ-
ционально связаны. Отсюда ясно, что
попытки применения теории мишени
для объяснения природы и этапов
формирования конечных лучевых ре-
акций клеток и тем более организмов
неправомочны, так как при формули-
ровании самих понятий попадания
или мишеней не имеются в виду ка-
кие-то конкретные физико-химиче-
ские или биохимические процессы,
происходящие в микрообъеме.
Достоинством классического Фор-
H.в. Тимофеев-Ресовский
мализма в описании механизма клеточных эффектов ионизирую-
щих излучений и, в частности, их летального действия, является
простота объяснения основных экспериментальных данных коли-
чественной радиобиологии.
В первую очередь это относится к количественному описанию
кривых выживания.
Весьма очевидно, что, исходя из принципов классической тео-
рии мишени, количество попаданий должно быть прямо пропорцио-
нальным дозе излучения. Поэтому в определенном диапазоне малых
доз число пораженных мишеней строго пропорционально дозе,
или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их
часть из общего количества, в связи с чем зависимость эффекта от
дозы имеет вид прямой линии (рис. 11.1, а). С повышением дозы
излучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличи-
вается, и хотя общее число попаданий остается пропорциональ-
ным дозе, их эффективность (на единицу дозы) уменьшается^ ко-
личество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптоти-
чески приближаясь к 100% (см. рис. 11.1, б). Иначе говоря, количе-
ство жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в
экспоненциальной зависимости от дозы.
Интерпретация основных количественных параметров кри-
вых выживания (см. гл. 7) поначалу исходила непосредственно из
теории мишени. Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, вернем-
ся с этих позиций к анализу кривых доза—эффект.
161
Рис. 11.1. Зависимость изменения эффекта от дозы излучения: а и б — со-
ответственно при малых и больших дозах (по Д. Ли, 1963)
Рассмотрим определение основного параметра радиочувстви-
тельности — величину Dq или D37 которую в теории мишени при-
нято называть инактивирующей или среднелетальной (не путать с
ЛД50!) дозой, на примере анализа одноударного поражения. В ка-
честве такового подразумевают гибель облучаемого объекта от
единичного эффективного попадания в мишень.
Тогда, если No — исходное число объектов, a N — число объек-
тов, не пораженных излучением при дозе D, то выход из строя оп-
ределенной доли объектов dN/N при приращении дозы dD выра-
жается уравнением dN/N = —dD/D(), где £>0 — доза, при которой на
каждый объект в среднем приходится одно попадание (отсюда и
наименование DQ — среднелетальная доза). При интегрировании
данного уравнения получаем:
ln(JV/ No) = -D/D„; N = ,
где е — основание натуральных логарифмов.
В природе чаще встречается другой тип кривых, характерный
для большинства клеток животного происхождения; примеры та-
ких кривых были уже приведены ранее. В линейных координатах
они имеют S-образную форму (рис. 11.2, а). В этих случаях говорят
о многоударном процессе, имея в виду, что для инактивации объекта
необходимо не одно, а два и более попаданий в единственную ми-
шень или поражение двух мишеней и более, каждая из которых
должна быть поражена.
При изображении таких кривых в полулогарифмическом мас-
штабе (см. рис. 11.2, б) они (см. гл. 7) приобретают плечо, перехо-
дящее в прямолинейный участок, наклон которого совпадаете на-
162
123456789 10 0123456789
а Доза излучения, усл. ед. б
Рис. 11.2. Дозовые кривые выживания для объектов с различной ударностью
мишени:
о — в обычном масштабе (S-образные, или сигмоидные, кривые; число ударов обозна-
чено на кривых); б— в полулогарифмическом масштабе
клоном соответствующей одноударной кривой. При экстраполи-
ровании прямолинейного участка кривой к нулевой дозе на оси
ординат отсекаются отрезки, соответствующие «ударности» мише-
ней (или их числу). Изображение многоударных кривых в полуло-
гарифмическом масштабе позволяет достаточно точно оценить
выживаемость при ее малых значениях (больших дозах) и легко
определить экстраполяционное число, характеризующее число ми-
шеней (ударов), поражение которых необходимо для инактивации
клетки.
Главное достоинство классического формализма состоит в про-
стом объяснении радиобиологического парадокса — экстремальный
эффект, возникающий в клетке в результате поглощения ничтож-
ной по величине энергии, происходит вследствие дискретного акта ее
размена (попадания) в крошечном, но жизненно важном микрообъеме
(мишени), например, в уникальной молекуле ДНК.
Нужно иметь в виду, что возможность применения теории ми-
шени уже в самом начале была строго ограничена ее основополож-
никами [Ли Д., 1946] областью анализа одноударных эффектов.
Интерпретация конкретных многоударных кривых с тех же пози-
ций весьма затруднительна. Прежде всего это связано с многочис-
ленными экспериментальными фактами изменения экстраполя-
ционного числа при применении самых различных модифици-
163
рующих агентов или при разных условиях жизнедеятельности объ-
ектов, что с классических позиций само по себе не должно
сказываться на числе мишеней. Кроме того, экстраполяционное
число в ряде случаев достигает десятков и сотен единиц, что не по-
зволяет отождествлять его с числом мишеней в клетке.
По мере развития экспериментального изучения репарации
потенциальных повреждений, существование плеча на кривой вы-
живания стали связывать со способностью клеток к пострадиаци-
онному восстановлению, а величиной плеча характеризовать их
репарационную способность. Однако и в этом случае возникают
большие трудности при попытках интерпретации, с позиций клас-
сической теории мишени, многих клеточных радиационных эф-
фектов, обусловленных, например, изменением химизма клетки в
результате радиолиза воды или метаболического взаимодействия
различных клеточных органелл. Эта теория не касается природы
мишеней, ответственных за гибель клетки. Между тем такими
критическими мишенями могут быть уникальные макромолеку-
лы, определенные участки мембран и другие структуры, для опре-
деления природы которых необходимо привлекать данные специ-
альных методов исследования.
Именно эти обстоятельства уже в 40-х годах сделали очевидным
необходимость строгого ограничения применения теории мишени
только анализом одноударных эффектов.
Кроме того, по мере накопления новых фактов, не укладывав-
шихся в прокрустово ложе первоначального толкования принципа
попадания и теории мишени, потребовалось расширить сами поня-
тия «попадание» и его «объем». Стало известно, например, что пер-
вичные повреждения клеточных структур могут вызываться не
только непосредственной их ионизацией, но и опосредованно —
химически активными продуктами радиолиза окружающих малых
молекул, прежде всего молекул воды. Уже давно установлены и
факты миграции энергии по макромолекулам даже при непосред-
ственных формах взаимодействия, вследствие чего реализация по-
вреждения может происходить далеко от места первоначального
попадания.
Все эти ограничения классической интерпретации принципа
попадания и теории мишени в их первоначальном виде, наряду со
справедливой, а главное, продуктивной критикой, подверглись
необоснованному опорочиванию. При этом главные обвинения
состояли в неспособности объяснения множества феноменов, ре-
гистрируемых на уровне организма, при игнорировании того фак-
та, что подобные ограничения были с самого начала установлены
164
основоположниками классицизма, претендующего, как упомина-
лось, лишь на определенный круг первичных радиобиологических
событий. При этом взамен были предложены несостоятельные, не
выдержавшие проверку временем «теории», например, гипотезы
первичных и вторичных радиотоксинов, цепных реакций и др.,
противоречащие кардинальным радиобиологическим феноменам
и не позволяющие объяснить основной радиобиологический па-
радокс. Их критическое рассмотрение было проведено в третьем
издании учебника.
Вместе с тем в 60-х годах была предложена система представле-
ний, призванная, по определению ее авторов — О. Хуга и А. Кел-
лерера, изложить «теорию попаданий на основе стохастического
принципа»1.
11.2. Стохастическая теория
В основе теории мишени, как уже было сказано, лежало пред-
положение о том, что характерные зависимости доза — эффект яв-
ляются отражением квантованного характера взаимодействия из-
лучения с веществом и наличия в клетках высокочувствительных
объемов — мишеней.
При чрезвычайно массивных повреждениях конечный эффект
действительно детерминирован уже на начальной стадии. Однако
в большинстве ситуаций на более поздние звенья причинно-след-
ственной цепи, ведущей к конечному эффекту, могут оказывать
влияние другие случайные факторы. При этом каждому лабильно-
му состоянию объекта соответствует определенная повышенная
вероятность наступления регистрируемой реакции, возрастающая
с увеличением предварительного повреждения. Таким образом,
при формировании радиобиологического эффекта всегда сущест-
вует суперпозиция множества случайных событий, что и учитыва-
ет стохастическое (вероятностное) рассмотрение вопроса.
При таком подходе любой биологический объект, в частности
клетка, представляется в качестве лабильной динамической систе-
мы, которая постоянно находится в стадии перехода из одного со-
стояния в другое. Вследствие крайней сложности системы, како-
1 В 1966 г. была опубликована монография О. Хуга и А. Келлерера «Стохасти-
ческая радиобиология» (издана на русском языке в 1969 г.), в которой обобщены
собственные идеи авторов и проведен анализ большого фактического материала с
Позиций развиваемых ими знаний.
165
вой является живая функционирующая клетка, любой такой пере-
ход связан с множеством комплексных и элементарных сопряжен-
ных реакций отдельных клеточных органелл и макромолекул.
Естественно, что в процессе жизнедеятельности, благодаря влия-
нию самых разнообразных, не поддающихся учету факторов и ма-
лейших сдвигов в исходном состоянии, возникает вероятность
«отказов» в элементарных звеньях, а вследствие этого — «круше-
ния» всей системы. Поэтому любое критическое событие, напри-
мер митоз или гибель клетки, можно предсказать лишь с извест-
ной вероятностью.
При облучении объекта на свойственную ему биологическую
стохастичность накладывается стохастичность вследствие случай-
ного характера взаимодействия излучения с веществом, что резко
увеличивает вероятность «крушений» системы, происходящих и в
необлученном контроле, хотя и со значительно меньшей частотой.
Стохастическая теория рассматривает различные возмущения
биологической системы, возникающие в процессе жизнедеятель-
ности или под влиянием облучения, с позиций теории вероятно-
стей, стремясь описать их моделями, максимально соответствую-
щими представлениям динамической биохимии и молекулярной
радиобиологии. В этом случае мишенями являются все компонен-
ты живой системы, а регистрируемая реакция обусловлена супер-
позицией самых разных событий.
Существенно, что стохастическая теория учитывает как фи-
зиологические, так и индуцированные излучением процессы в их дина-
мике, в то время как классическая теория мишени рассматривает
эффекты, вызванные облучением, как строго детерминированные
первичными актами абсорбции энергии.
Разработанный в рамках стохастической теории математиче-
ский аппарат позволяет учесть не предусматривавшееся в рамках
классических представлений взаимодействие ряда последователь-
ных попаданий, а также влияние фактора времени, репарацион-
ных процессов, роль ЛПЭ и т.д. Все это может быть выражено сис-
темой дифференциальных уравнений, описывающих переход
биологического объекта под влиянием облучения из одного со-
стояния в другое. В принципе можно учесть и влияние любого мо-
дифицирующего фактора на соответствующие дозовые зависимо-
сти. Более того, этот аппарат может быть использован для анализа
не только кинетических процессов на молекулярном уровне, но и
морфологических стадий образования новой клетки, ее диффе-
ренцировки и др.
166
Конкретное описание предлагаемого аппарата выходит за рам-
ки данного руководства. Отсылая интересующихся к монографии
авторов, ограничимся лишь их заключительными замечаниями.
«Дискретное изображение непрерывных физиологических про-
цессов не является приближением, которое принимают только
ради удобств, а становится необходимым при изучении различно-
го поведения отдельных единиц популяции. Действие излучения
на клетку свободно укладывается в эту общую схему, что также вы-
ражается в дискретных событиях. При этом не существенно, про-
исходят ли соответствующие критические события в результате
дискретных актов абсорбции энергии или в результате усиленной
облучением лабильности, органически свойственной биологиче-
ской системе. В этой схеме можно учесть даже такие сложные яв-
ления, как феномены обратной связи и механизмы регуляции»
[Хуг О., Келлерер М., 1969].
Весьма важно заметить, что эффект, обусловленный попадани-
ем в одну из уникальных структур клетки, приводящим ее к гибели,
формально может быть описан как с классических позиций теории
мишени, так и с позиций стохастической теории. Иными словами,
выводы теории мишени можно рассматривать как частный случай
стохастического подхода.
Столь же логичным и еще более убедительным остается объяс-
нение радиобиологического парадокса, так как дополняется веро-
ятностным случайным характером самого дискретного события
размена энергии в критическом микрообъеме, что упрощает вос-
приятие возникающего при этом любого экстремального эффекта.
Для обозначения клеточных повреждений, которые «нельзя
отождествлять с локальными изменениями клеточных структур,
прежде всего генетических, стохастическая теория вводит понятие
«дисперсного начального повреждения». Природа такого поврежде-
ния весьма разнообразна: изменение клеточных мембран и других
множественных структур, инактивация какой-либо жизненно
важной системы и др.
Репаративные процессы, сказывающиеся на конечном эффек-
те, учитываются понятием компенсационной способности объекта.
При анализе дозовых кривых с учетом функциональной лабильно-
сти биологических объектов стохастическая концепция приводит
к пониманию того, что экспоненциальная кривая указывает на
систему без компенсаторных механизмов, а сигмоидная — соот-
ветствует системам, обладающим такими механизмами, эффек-
тивность которых снижается при возрастании дозы излучения.
Экстраполяционное число следует рассматривать как количествен-
167
ное выражение компенсационной, способности облучаемого объекта,
а не как «число мишеней».
Таким образом, сама по себе экспоненциальная зависимость
эффекта от дозы далеко не предопределяет решение о наличии
первичных одно- или многоударных реакций, а с полным основа-
нием делает логичной и другую интерпретацию.
Итак, в соответствии с основными исходными позициями сто-
хастическая концепция предлагает как бы более «биологическую» ин-
терпретацию кривых доза — эффект по сравнению с их объяснением
с позиций теории мишени, хотя основное положение последней о том,
что эти кривые определяются в основном случайной природой абсорб-
ции энергии, остается незыблемым.
Подводя итоги изложения обеих концепций — классической
теории мишени и стохастической теории, необходимо прежде все-
го подчеркнуть их основное общее свойство — строго количест-
венный подход. Более того, стохастическую теорию следует рас-
сматривать как логическое развитие и дополнение классических
представлений, которые и не претендовали на объяснение всего
многообразия радиобиологических феноменов, тем более что
многие из них стали известны в последующие годы.
Вполне естественно, что первоначальные гипотезы исходили
из упрощенных представлений о механизме первичных радиобио-
логических процессов на основе чисто физических, а позднее ра-
диационно-химических закономерностей, установленных при об-
лучении простых систем. Однако именно эти простые, общие и
формальные схемы впервые перевели радиобиологию с описа-
тельных позиций на прочную количественную основу. Круг воз-
можного применения первоначальных представлений был очер-
чен еще при их формировании, и в этом плане были получены наи-
более значительные результаты. Дальнейшее накопление новых
фактов потребовало развития более широких подходов.
Нельзя не заметить, что при этом остались незыблемыми оба
определяющих фактора классической теории мишеней — дис-
кретность воздействия радиационного агента и функциональная не-
гомогенность биологического объекта. Существенно, однако, что
если в теории мишеней последняя определяется наличием фикси-
рованных мишеней, поражение которых уже определяет конеч-
ный эффект, то в системе новых представлений показана несо-
стоятельность такой точки зрения, взамен которой развита идея
определяющей роли стохастической природы физиологических
процессов и их радиационных нарушений.
168
Стохастическая теория учитывает современные данные о мик-
рораспределении энергии, вариабельности радиочувствительно-
сти биологических объектов, а также роль репарационных процес-
сов. Тем самым она значительно расширяет круг явлений, которые
можно интерпретировать с новых позиций. Она более «биологич-
на» по своей природе, так как устанавливает связи с конкретными
морфологическими и функциональными разделами цитологии и
физиологии. Ее положения поэтому могут быть использованы при
интерпретации радиобиологических эффектов на любом уровне
биологической организации, включая организм. При этом сохра-
няют принципиальное значение основные количественные прин-
ципы классических представлений, хотя оба составляющие их по-
нятия — попадание и мишень — приобретают расширительное тол-
кование, поскольку в каждом конкретном случае критическими
могут быть отдельные стадии клеточного цикла, разные виды кле-
ток, тканей, органы и системы. Соответственно оказывается воз-
можным расширительное объяснение радиобиологического пара-
докса на уровне организма. Достаточно иметь в виду, что общее
поглощение организмом ничтожного количества энергии (см.
рис. 1.1) происходит в виде дискретных актов огромных порций ее
размена в микрообъеме клеток жизненно важных критических ор-
ганов. Выход из строя определенного количества таких клеток
оказывается несовместимым с жизнью (см. гл. 12).
РЕЗЮМЕ
• Современные теоретические представления о биологиче-
ском действии ионизирующих излучений можно свести к сто-
хастическому механизму реализации теории мишени и прин-
ципа попаданий, но с расширительной биологической интер-
претацией объема попадания и событий, происходящих как во
время размена энергии, так и в ближайшее время после него, в
том числе процессов репарации.
• С учетом новых данных молекулярной и клеточной ра-
диобиологии, удается непротиворечиво объяснить все много-
образие радиобиологических эффектов и их модификацию на
разных уровнях биологической организации — от клетки до
организма, а также зависимость эффектов от условий радиаци-
онного воздействия — качества излучения, величины дозы и
ее распределения во времени.
169
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ПЕРВОЙ ЧАСТИ
Заканчивая изложение вопросов общей радиобиологии, следу-
ет заметить, что полученная читателем информация о многогран-
ности проявлений радиобиологического эффекта необходима при
изучении любого частного раздела радиобиологии, в том числе ра-
диобиологии организма и радиационной безопасности, которым
посвящены остальные разделы книги. При этом для правильной
их интерпретации необходимо уже из рассмотренных материалов
сделать несколько принципиальных выводов, составляющих фун-
даментальные основы радиобиологии.
1. Критической мишенью радиационного поражения клетки
является ДНК.
2. Радиационные поражения клетки могут быть обратимыми
благодаря ферментативной репарации ДНК, которая проявляется
как восстановление от сублетальных и потенциальнолетальных
поражений.
3. Радиационное повреждение клетки может быть как ослабле-
но, так и усилено с помощью различных модифицирующих аген-
тов. Универсальным радиомодифицирующим агентом является
кислород.
4. Проявления радиобиологических эффектов строго связаны
с дозой излучения. В подавляющем большинстве случаев с ростом
дозы поражение усиливается. Отдельные наблюдения об отклоне-
нии от этого правила у единичных объектов в ограниченном диа-
пазоне малых доз лишь подтверждают его справедливость.
5. По мере пролонгирования радиационного воздействия во
времени путем снижения мощности дозы или ее фракционирова-
ния, эффективность облучения уменьшается благодаря более пол-
ной реализации восстановительных процессов.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
РАДИОБИОЛОГИЯ ОРГАНИЗМА
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ТКАНЕЙ, ОРГАНОВ, ОРГАНИЗМА
РАДИАЦИОННЫЕ СИНДРОМЫ
НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ (ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ) ЭФФЕКТЫ
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛУЧЕННОМ ОРГАНИЗМЕ
ЛУЧЕВАЯ БОЛЕЗНЬ ЧЕЛОВЕКА
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИНКОРПОРИРОВАННЫХ
РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
ОПОСРЕДОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ ОБЛУЧЕНИЯ. ИЗМЕНЕНИЯ В
НЕКРИТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ. НАРУШЕНИЯ ИММУНИТЕТА
ОТДАЛЕННЫЕ (СТОХАСТИЧЕСКИЕ) ПОСЛЕДСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ
ПОСЛЕДСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ЭМБРИОНА И ПЛОДА
ФАРМАКОХИМИЧЕСКАЯ ПРОТИВОЛУЧЕВАЯ ЗАЩИТА ОРГАНИЗМА.
РАДИОПРОТЕКТОРЫ
КОМБИНИРОВАННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ
С ДРУГИМИ АГЕНТАМИ
ЛЕЧЕБНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Вторая часть учебника посвящена радиобиологии орга-
низма, которая отражает многообразие тканевых и сис-
темных реакции, проявляющихся непосредственно и вскоре
после облучения, а также в отдаленный период. Такое мно-
гообразие определяется условиями радиационного воздей-
ствия — видом излучения, величиной и мощностью дозы,
распределением ее во времени и в облучаемом объеме, воз-
растом (включая период эмбрионального развития) и фи-
зиологическим состоянием организма и, наконец, возмож-
ным влиянием факторов внешней среды. Рассмотрение
этих вопросов проводится с клеточно-кинетических пози-
ций, учитывающих процессы, происходящие в результате
облучения в основных системах клеточного обновления.
Радиобиология организма млекопитающих наиболее
актуальна в практическом аспекте. Большое внимание
здесь уделяется прикладным сторонам предмета, в частно-
сти, современным методам профилактики и терапии луче-
вых поражений, а также научным основам медицинского
применения ионизирующих излучений, главным образом, при
лучевой и комплексной терапии злокачественных новообра-
зований и частично при лучевой диагностике самых различ-
ных заболеваний
ПГ Д А В A
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ТКАНЕЙ,
ОРГАНОВ, ОРГАНИЗМА.
ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ
Ступенчатый характер отмирания объектов как следствие
лучевого поражения жизненно важных систем организма
Критические ткани и органы
Основные радиационные синдромы при общем облучении
Системы клеточного обновления
Кинетика клеточных популяций и ее нарушение при облуче-
нии — ключ к пониманию развития лучевого поражения ор-
ганизма
Особенности лучевых реакций мало обновляющихся тканей
Относительность понятия тканевой радиочувствительности
Радиочувствительность организма млекопитающих и спосо-
бы ее оценки
Ранние и поздние детерминированные эффекты
Квазидетерминированные эффекты облучения
Нам предстоит разобраться в сложной картине лучевого пора-
жения организма, многообразие которой определяется особым
свойством ионизирующих излучений, не присущим ни одному
другому агенту внешней среды. Речь идет об их проникающей спо-
собности (отсюда и название — проникающая радиация). В резуль-
тате общего (тотального) облучения ни один участок организма не
остается интактным от радиационного воздействия. Это опреде-
ляет одновременно и своеобразие, и многообразие форм непо-
средственных и отдаленных последствий облучения.
Закономерности поражения организма определяются двумя
факторами:
1) радиочувствительностью отдельных тканей, органов и сис-
тем, в том числе и критических, — ответственных за выживание
организма;
2) величиной поглощенной дозы излучения и ее распределени-
ем в облучаемом объеме и во времени.
Каждый в отдельности и в сочетании друг с другом эти факто-
ры определяют преимущественный тип лучевых реакций (местные
или общие), специфику и время проявления (непосредственно по-
173
еле облучения, вскоре после него или в отдаленные сроки) и их
значимость для организма (преходящие или летальные).
При переходе от изолированной клетки к ткани, органу и орга-
низму все проявления радиационных эффектов усложняются. Это
происходит потому, что не все клетки поражаются в равной степе-
ни, а тканевой эффект не равен сумме клеточных эффектов; следо-
вательно, ткани, а тем более органы и системы нельзя рассматри-
вать как простую совокупность клеток.
Клетки, находясь в составе ткани, в значительной степени за-
висимы и друг от друга, и от окружающей среды. Митотическая ак-
тивность, степень дифференцировки, уровень и особенности ме-
таболизма, а также другие физиологические параметры отдельных
клеток не безразличны для их непосредственных «соседей», а сле-
довательно, и для всей популяции в целом. Общеизвестно, напри-
мер, что заживление раны происходит вследствие временного ус-
корения размножения оставшихся клеток, обеспечивающего рост
ткани и замещение вызванных травмой тканевых утрат, после чего
темп клеточного деления нормализуется. В механизме испытывае-
мых клетками стимулирующих или ингибирующих влияний при-
нимают участие не только локальные факторы, но и регулирую-
щие системы, поддерживающие состояние гомеостаза в организ-
ме. Те же процессы играют важную роль в реализации тканевых и
системных реакций на облучение. Кроме того, на тканевую радио-
чувствительность оказывают большое влияние и другие факторы,
например, степень кровоснабжения и величина облучаемого объе-
ма.
Таким образом, радиочувствительность ткани нельзя рассмат-
ривать только с позиций составляющих ее клеток без учета морфо-
физиологических факторов прежде всего клеточного окружения.
Например, радиочувствительность эритробластов зависит от мес-
та их нахождения в организме — в селезенке или в костном мозге.
Различается радиочувствительность одной и той же опухоли, при-
витой в разные ткани, и ее метастазов, в зависимости от их локали-
зации. Все это усложняет оценку радиочувствительности тканей,
органов и целого организма, но не отвергает принципиальное и ве-
дущее значение цитокинетических параметров, определяющих
тип и выраженность лучевых реакций на всех уровнях биологиче-
ской организации.
Самый типичный пример радиационного поражения организ-
ма животных и человека — острая лучевая болезнь (см. гл. 14), воз-
никающая после тотального однократного внешнего равномерного
облучения. В этом случае одновременно и практически в одинако-
174
вой дозе подвергаются радиационному воздействию все системы,
органы, ткани и клетки.
Наилучшее понимание основных проявлений лучевого пора-
жения организма может быть достигнуто сопоставлением их с по-
глощенной дозой в так называемых «критических органах». Под
критическими органами понимают жизненно важные органы или
системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне
доз излучения, что обусловливает гибель организма в определен-
ные сроки после облучения.
Таким образом, между величиной поглощенной дозы в орга-
низме и средней продолжительностью жизни существует строгая
зависимость, определяемая различиями в радиочувствительности
отдельных жизненно важных (критических) органов или систем.
12.1. Радиационные синдромы
Еще в 40-х годах прошлого столетия исследованиями Б. Раев-
ского и Г. Квастлера было обнаружено, что в определенных диапа-
зонах, несмотря на увеличение дозы, средние сроки гибели мышей
не меняются. Соответствующая кривая, описывающая зависи-
мость средней продолжительности жизни мышей от дозы излуче-
ния, состоит из трех участков (рис. 12.1). Начальный участок охва-
тывает период от нескольких недель до нескольких дней и соответ-
ствует дозам до 10 Гр. Далее следует плато, где средняя продолжи-
тельность жизни не изменяется, несмотря на увеличение дозы от
10 до 100 Гр. На третьем участке показано, что при последующем
увеличении дозы средняя продолжительность жизни снова резко
укорачивается от нескольких дней до нескольких часов.
Рассмотренные участки кривой отражают три основные радиа-
ционные синдрома — костномозговой (кроветворный), желудоч-
но-кишечный и церебральный, развивающиеся вследствие пораже-
ния и выхода из строя соответствующих критических систем орга-
низма — кроветворной, кишечника и ЦНС.
Такого рода ступенчатый характер отмирания, связанный с
выходом из строя критических систем, обнаружен для млекопи-
тающих разных видов. Существование такой же закономерности
показано И.Б. Бычковской (1970) для земноводных (лягушек), на-
секомых (амбарных долгоносиков, бокоплавов, дрозофил) и чер-
вей.
Таким образом, ступенчатая зависимость времени наступле-
ния гибели самых разнообразных объектов от дозы, отражающая
175
Рис. 12.1. Зависимость средней продолжи-
тельности жизни мышей после однократного
рентгеновского облучения от дозы (в лога-
рифмическом масштабе) (по Б. Раевскому,
1954)
многосистемность в ре-
акции на облучение, —
общебиологическая за-
кономерность. Разрыв
между дозами, начинаю-
щими вызывать опреде-
ленные формы гибели,
указывает на разницу
в радиочувствительности
отдельных систем по
критерию поражения, не
совместимого с жизнью.
Наличие плато на
кривой (рис. 12.2) свиде-
тельствует о том, что ре-
гистрируемое несовмес-
тимое с жизнью повреж-
дение той или иной сис-
темы наступает по
достижении определен-
ного уровня поражения,
т. е. имеет пороговый ха-
рактер. Области перегиба
кривой соответствуют
дозам, при которых воз-
можны те или другие
формы гибели вследст-
вие индивидуальных вариаций радиочувствительности смежных
систем.
Аналогичная зависимость средней продолжительности жизни
от дозы излучения показана и для человека. На рис. 12.3 хорошо
видны три области насыщения эффекта. Основываясь на клини-
ческой картине поражения, их связывают с теми же тремя патоге-
нетическими механизмами поражения, приводящими организм к
гибели. При дозах излучения, когда средняя продолжительность
жизни не превышает 40 сут, на первый план выступает нарушение
гемопоэза; при больших дозах (продолжительность жизни 8 сут)
ведущими становятся проявления поражения кишечника, а при
еще больших (> 30 Гр; продолжительность жизни — 2 сут и менее)
развиваются церебральные симптомы.
Существование причинно-следственной связи между опреде-
ленными синдромами и отдельными участками кривой следует из
176
Рис. 12.2. Зависимость сред-
ней продолжительности жиз-
ни млекопитающих от дозы
излучения (7) и ее отклоне-
ния (2, 3), полученные раз-
ными авторами на мышах,
крысах, хомячках, морских
свинках и обезьянах (по
В. Бонду и др., 1971)
строгой воспроизводимости симптоматологии и средней продол-
жительности жизни в соответствующих диапазонах доз, а также из
результатов специальных экспериментов по локальному облуче-
нию организма, экранированию (защите от воздействия излуче-
ния, например, свинцом) отдельных участков критических систем
или использованию трансплантации кроветворных тканей.
Если экранировать небольшой сегмент активного костного
мозга (у мышей можно и выведенную наружу селезенку) или пере-
садить смертельно облученным животным костный мозг интакт-
ных доноров, то можно полностью предотвратить или снизить
процент гибели при дозах до 10 Гр (см. гл. 18, 19). Это свидетельст-
вует, что гибель животных в этом диапазоне доз излучения пре-
имущественно вызвана поражением систем кроветворения.
Рис. 12.3. Зависимость средней
продолжительности жизни человека
и обезьян от дозы излучения (в
логарифмическом масштабе по ос-
нованию 2) (по Р. Аллену и др.,
1960)
177
О кишечном механизме смерти в следующем диапазоне доз
свидетельствует гибель мышей в одни и те же сроки (3—5 сут), с
одинаковой картиной поражения независимо от того, подверга-
лись ли они общему или локальному облучению (при одинаковых
дозах) выведенного наружу кишечника.
Наконец, при локальном облучении головы в дозах, превы-
шающих 150 Гр, гибель наблюдается в первые сутки или часы (в за-
висимости от дозы) и сопровождается судорогами, что указывает
на поражение ЦНС. При дозах 1000 Гр и более смерть наступает
мгновенно («смерть под лучом») вследствие денатурационной де-
зактивации клеток — «молекулярная гибель».
Для понимания причин столь четко выраженной зависимости
проявлений отдельных синдромов от дозы излучения необходимо
познакомиться с кинетикой клеточных популяций соответствую-
щих критических систем. Состояние устойчивого динамического
равновесия любой клеточной популяции в живом организме, не-
обходимое для нормальной жизнедеятельности, поддерживается
системами клеточного обновления; любая потеря клеток вследст-
вие их гибели или миграции в таких системах количественно вос-
полняется возникновением новых клеток, что обеспечивает со-
хранность функционирования системы. Клетки каждого типа
имеют свойственную им продолжительность жизненного цикла и
соответственно различаются темпом их обновления.
Таким образом, взрослый организм постоянно находится в со-
стоянии строго сбалансированного клеточного самообновления, про-
исходящего непрерывно в ряде его жизненно важных систем. Ежеми-
нутно в каждой из них отмирают десятки и сотни тысяч «отслу-
живших» клеток, заменяясь новыми, заведомо готовыми «пожерт-
вовать» собой через строго определенный срок — и так до конца
жизни организма. Такое устойчивое равновесие в системах кле-
точного самообновления, являющееся необходимым условием на-
дежности поддержания жизнеспособности организма, получило
название клеточного гомеостаза.
Применительно к рассмотренным выше основным радиаци-
онным синдромам две из таких самообновляющихся систем (в ос-
новном определяющие выживание или гибель облучаемого орга-
низма) — кроветворная и желудочно-кишечная — характеризу-
ются большой скоростью клеточного обновления. В третьей —
ЦНС — у половозрелых животных и взрослого человека клеточно-
го обновления практически не происходит.
178
12.2. Костный мозг — типичный пример системы
клеточного обновления
Костный мозг обладает крайне высокой радиочувствительно-
стью, в связи с чем поражение системы кроветворения всегда на-
блюдается в той или иной степени при общем облучении как его
типичное проявление. Поэтому на примере костного мозга будут
рассмотрены общие принципы функционирования самообнов-
ляющейся системы, которые в полной мере сохраняют свое значе-
ние для любой другой системы клеточного обновления.
Основное назначение костного мозга — продукция зрелых вы-
сокодифференцированных клеток крови. В нормальных условиях
гибель или исчезновение каждого клеточного элемента в перифе-
рической крови или в другом участке организма компенсируется
образованием в среднем одной клетки в костном мозге. По метко-
му выражению В. Бонда, костный мозг представляет собой «фаб-
рику», производящую клетки, а периферическая кровь — «службу
сбыта» организмом уже зрелых элементов.
На рис. 12.4 представлена упрощенная модель системы клеточ-
ного обновления применительно к миелопоэзу, состоящая, как и
любая система клеточного обновления, из нескольких пулов. Пре-
жде всего, это самоподдерживающийся фонд недифференциро-
Рис. 12.4. Модель системы клеточного обновления
(по В. Бонду и др., 1971):
время, указанное в нижней части рисунка, отражает порядок величин, характерных
для гранулоцитопоэза млекопитающих, в том числе и человека
179
ванных предшественников — стволовых (клоногенных) клеток,
способных обеспечить постоянную скорость клеточного обновле-
ния в системе. При делении стволовых клеток часть их потомства
предназначается для последующей дифференциации в специфи-
ческие клеточные линии, а оставшиеся служат новыми стволовы-
ми клетками.
Пройдя одно или несколько делений, клетка постепенно диф-
ференцируется, затем, утратив способность делиться, входит в не-
пролиферирующий пул, где окончательно созревает и становится
функционально полноценной. Ясно, что цитокинетика той или
иной системы обновления предопределяется уровнем митотиче-
ской активности и продолжительностью отдельных фаз клеточно-
го цикла (см. гл. 8).
Общий принцип, обеспечивающий устойчивую работу любой
системы клеточного обновления (имеется в виду поддержание ее в
состоянии количественного и качественного динамического рав-
новесия), состоит в том, что по мере отмирания и удаления зрелых
клеток из функционального пула вместо каждой из них поступает
новая, находящаяся в этот момент на стадии максимальной подго-
товленности. Таким образом, функционирующая система само-
поддерживает себя из-за необходимости восполнения постоянно
происходящих утрат, являющихся своеобразным стимулом к ак-
тивации всех предшествующих пулов, в результате чего осуществ-
ляется перманентное клеточное обновление.
Под воздействием излучения в любой клеточной системе об-
новления происходят резкие нарушения динамического равнове-
сия между отдельными пулами, приводящие к тяжелым функцио-
нальным расстройствам в самой системе, а в зависимости от ее
значения для жизнедеятельности и к соответствующим последст-
виям в организме. Качественное представление о механизме этих
нарушений следует из анализа реакций облученных клеток (см.
гл. 7), закономерности которых в целом сохраняются и для ткане-
вых систем в живом организме. Это — три типа основных радио-
биологических реакций клеток, определяющие типичные наруше-
ния в любой системе обновления.
1. Временное прекращение деления всех клеток независимо от
того, какая из них выживет в последующем.
2. Гибель молодых, малодифференцированных и делящихся
клеток.
3. Минимальные изменения продолжительности процесса
клеточного созревания, а также времени жизни большинства зре-
лых клеток и скорости притока их в функциональный пул.
180
Стволо-
вые ~
клетки
Пулы в нормальном состоянии
Время прохождения, сут
Время после
Изменения после облучения облучения
Рис. 12.5. Эффекты, возникающие в системе клеточного обновления вслед-
ствие внезапного опустошения самых ранних пролиферирующих компонен-
тов в результате облучения (по В. Бонду и др., 1971)
В результате совокупности этих реакций три первых пула начи-
нают опустошаться сразу и в ближайшие дни после облучения, а
число соответствующих зрелых функционирующих клеток умень-
шается значительно позднее, когда их естественная убыль пере-
стает восполняться из-за опустошения предшествующих пулов
(рис. 12.5). Эта задержка определяется временем, необходимым
клетке для прохождения пути от самых ранних стадий до выхода в
функциональный пул. Количественные характеристики указан-
ных нарушений определяются конкретными цитокинетическими
параметрами той или иной системы обновления и дозой излуче-
ния.
На рис. 12.5 схематически показаны радиационные нарушения
миелопоэзамыши, качественно аналогичные изменениям, проис-
ходящим в последовательно связанных пулах любой системы кле-
точного обновления (для случая, если опустошены более ранние
181
Рис. 12.6. Кривая выживаемости ство-
ловых клеток костного мозга мыши
(по В. Бонду, 1974)
компартменты). С этих пози-
ций проанализируем несколь-
ко подробнее радиационные
изменения в системе крове-
творения, так как именно с
ними наиболее часто прихо-
дится встречаться на практике:
при облучении в дозах до 10 Гр
в организме развивается ти-
пичный костномозговой син-
дром.
Систему клеточного об-
новления костного мозга ус-
ловно можно представить в
виде двух подразделений, или
компартментов: компартмента
молодых и делящихся клеток
(объединяющего три первых
пула) и компартмента зрелых
функциональных клеток пери-
ферической крови. Первый
компартмент можно сравнить
с «фабрикой» клеток, второй — со «службой сбыта». В соответст-
вии с правилом Бергонье и Трибондо «фабрика» должна отличать-
ся высокой радиочувствительностью, а «служба сбыта» — быть не-
сравненно более резистентной. Кривая выживаемости стволовых
клеток, изображенная на рис. 12.6, суммарно отражает выживае-
мость всех кроветворных клеток, поскольку стволовые клетки яв-
ляются родоначальниками миелоцитов, тромбоцитов и эритроци-
тов. Видно, что кривая выживаемости костного мозга мыши имеет
маленькое плечо (свидетельство низких репаративных возможно-
стей) и относительно крутой наклон (следствие высокой радио-
чувствительности), так что даже очень небольшие дозы излучения
вдвое снижают число выживших клеток. При среднелетальной
дозе (ЛД50/30)’ для мышей (6—7 Гр) пролиферативную способность
сохраняют всего 1—3 стволовые клетки на тысячу. В результате
возникает серьезное повреждение «клеточной фабрики» при прак-
1 ЛДт/л принято обозначать дозы, при которых т — доля или % живот-
ных — гибнет в течение п суток после облучения.
182
тически ненарушенной «службе сбы-
та», что и приводит к событиям, схе-
матически изображенным на рис.
12.7.
Как видно из рассмотрения рис.
12.7, опустошение костного мозга на-
чинается тотчас после облучения и
неуклонно продолжается, достигая
минимума, что соответствует началу
его регенерации у выживших особей
(кривая /). Характер изменений мор-
фологического состава крови прежде
всего зависит от времени жизни зре-
лых клеток или скорости их выбыва-
ния. Кривая 4для нейтрофилов отра-
жает короткую продолжительность
жизни этих клеток: она имеет относи-
тельно небольшой порог. Числен-
ность наиболее долго живущих (около
100 дней) эритроцитов уменьшается
значительно медленнее (кривая 6),
ибо даже при полном отсутствии про-
дукции скорость уменьшения их чис-
ленности составляет около 1%/сут.
Промежуточный случай представлен
Время после облучения, сут
Рис. 12.7. Последовательность
событий, происходящих в двух
основных компартментах сис-
темы обновления кроветвор-
ных клеток мышей после об-
лучения в среднелетальных до-
зах:
а — в костном мозге; б — в пери-
ферической крови.
1 — ядросодержащие клетки;
2 —лейкоциты (общее число);
3 — лимфоциты; “/—нейтрофилы,
5 - эритроциты
тромбоцитами (кривая 5). Отсутствие
порога в случае изменения численно-
сти лимфоцитов (кривая 3) связано с
их крайне высокой радиочувствитель-
ностью. Уже при небольших дозах
лимфоциты погибают тотчас после
облучения, причем не только в лим-
фоузлах и в костном мозге (местах их образования), но и в перифе-
рической крови.
Снижение количества лимфоцитов само по себе не играет существенной роли
в непосредственном исходе лучевой болезни, однако внимание к нему оправдано.
Во-первых, с радиобиологических позиций кажется парадоксальной их высокая
радиочувствительность, так как это противоречит общему правилу, если учесть,
что лимфоциты считаются зрелыми элементами. Во-вторых, как следствие их
крайне высокой радиочувствительности (при дозе 3—4 Гр погибает большинство
лимфоцитов) лимфопения возникает уже при небольших дозах облучения и вско-
ре после него (с первых суток), а это является причиной иммунного дефицита,
развивающегося после облучения (см. гл. 14).
183
Рис. 12.8. Изменение общего числа клеток костного мозга крысы
после облучения в дозах 3—10 Гр, % от контроля
Основная причина катастрофического опустошения костного
мозга, происходящего в самые ранние сроки после облучения, со-
стоит в резком торможении процессов клеточного деления при
продолжающемся с неизменной скоростью поступлении зрелых
элементов на периферию.
Внешне парадоксален, но несомненен тот факт, что на кинети-
ке клеточного опустошения не сказывается доля летально повреж-
денных клеток, увеличивающаяся с дозой излучения. Как показа-
но в нашей лаборатории, скорость клеточного опустошения кост-
ного мозга мышей и крыс в первые сутки после облучения при всех
дозах практически одинакова — как видно из рис. 12.8, она опи-
сывается одной экспонентой. Очевидно, вследствие сохранения
скорости выхода клеток на периферию в их общем «потоке» вместе
с жизнеспособными выходят в кровь и летально поврежденные
клетки.
Опустошение «фабрики», отражающее, по существу, нормаль-
ную скорость выхода зрелой «продукции», сохраняет экспоненци-
альный характер лишь до начала регенерации. Наблюдающееся за-
тем восстановление происходит с различной скоростью, обратной
величине дозы (см. рис. 13.4 в гл. 13). Здесь-то и сказывается раз-
ная степень клеточной деструкции, определяющая глубину лейко-
пении, а следовательно, течение и исход лучевого поражения орга-
низма.
Рассмотренная схема дает лишь общее представление о цито-
кинетике изменений в обоих компартментах кроветворения на ос-
нове принципиальных механизмов саморегуляции, типичных для
184
Рис. 12.9. Число нейтрофилов периферической крови в разное время после
облучения (по В. Бонду, 1974):
следует обратить внимание на начальный кратковременный подъем, быстрый спад,
новый временный (абортивный) подъем, еще более быстрый спад и постепенное окон-
чательное восстановление
систем клеточного обновления. В зависимости от облучаемого
объекта и дозы излучения параметры кривых имеют свои количе-
ственные характеристики и некоторые качественные особенно-
сти.
Для примера на рис. 12.9 приведены изменения в наиболее от-
ветственном звене — нейтрофилах — у подвергнутых тотальному
облучению свиней. Кривую, отражающую наблюдения в течение
120 сут, можно разделить на три участка: 1) фазу дегенерации, ха-
рактеризующуюся начальным кратковременным подъемом с по-
следующим быстрым спадом; 2) фазу абортивного подъема с после-
дующим еще более быстрым спадом; 3) фазу восстановления до ис-
ходного уровня.
Особенности фазы дегенерации связаны с рассмотренными
выше радиобиологическими закономерностями. Размер началь-
ного участка определяется временем от последнего деления в пуле
делящихся (созревающих) клеток костного мозга (см. рис. 12.5) до
выхода зрелых элементов в периферическую кровь. Отсюда следу-
ет, что созревание клеток, оставшихся жизнеспособными (по
крайней мере, при среднелетальных дозах), происходит с нор-
мальной скоростью. Наклон экспоненциального участка кривой
определяется временем исчезновения нормальных клеток из пе-
185
риферической крови, что совпадает с быстрым и почти полным
прекращением поступления нормальных клеток из костного мозга
вследствие его глубокого опустошения. Клетки, остающиеся в пе-
риферической крови, элиминируются с нормальной скоростью. С
увеличением дозы излучения наклон этого участка кривой все бо-
лее приближается к параметрам исчезновения из крови нормаль-
ных клеток; при меньших дозах небольшое количество клеток
продолжает выходить на периферию, имея различные поврежде-
ния, так как они — потомки нелетально поврежденных, делящих-
ся и созревающих элементов. Следовательно, в фазе дегенерации в
крови находятся только поврежденные клетки.
Фаза абортивного подъема позволяет организму жить в течение
более длительного времени, чем можно было бы ожидать. Меха-
низм абортивного подъема еще неясен. Наиболее вероятно, что он
связан с размножением в разной степени поврежденных радиаци-
ей клеток пролиферативного (усиливающего) пула, обладающих
ограниченной способностью к самоподдержанию, и отчасти по-
липотентных стволовых клеток. По степени повреждения клетки
этих пулов могут полностью сохранить пролиферативную способ-
ность, иметь сниженные пролиферативные потенции или оказать-
ся необратимо поврежденными. Абортивный подъем вероятнее
всего обеспечивается клетками со сниженной пролиферативной
способностью, продолжающими деление еще некоторое время.
Лишь после того как ограниченный потенциал пролиферации
этих клеток будет исчерпан (они сами и все их потомки погибнут),
число зрелых элементов вновь снизится до минимального уровня.
Окончательная регенерация в основном осуществляется клетка-
ми, сохранившими неизмененной пролиферативную способ-
ность. На рис. 12.10 схематически представлено изображение
абортивного подъема и возможное объяснение этого феномена.
Правильное понимание его механизмов весьма важно, ибо анало-
гичное явление встречается и при облучении других клеточных по-
пуляций. В частности, подобную природу имеет временно продол-
жающийся рост опухолей после облучения в дозах, вызывающих
гибель практически всей клеточной массы (см. гл. 19).
Фаза восстановления обеспечивается лишь небольшим количе-
ством стволовых клеток, сохранившихся в костном мозге после
глубокого начального опустошения и обладающих способностью
к неограниченному размножению. Они должны не только проду-
цировать увеличенное количество подобных себе элементов, не-
обходимых для репопуляции костномозговых стволовых клеток,
но и производить дифференцирующиеся клетки, предназначен-
186
100
Время после облучения, сут
Рис. 12.10. Объяснение абортивного подъема числа клеток
(по В. Бонду, 1971):
/ — отмирающие (сильно поврежденные) клетки, быстро исчезающие из системы; 2 —
«поврежденные» клетки (некоторое время пролиферируют, но через несколько делений
вымирают и они, и их потомство); 3 — общее количество клеток; ‘/—выжившие клет-
ки, способные пролиферировать неограниченно долго
ные для последующего созревания и поступления в кровь. Эти тре-
бования к небольшому числу оставшихся неповрежденными ство-
ловых клеток объясняют причину задержки поступления зрелых
элементов на периферию, несмотря на то, что в период резкой
нейтропении в кровь поступает очень небольшое количество ней-
трофилов. Только когда пул стволовых клеток существенно разо-
вьется, ощутимая его часть может быть направлена на созревание.
В результате в начале фазы восстановления число клеток крови
увеличивается медленно, а затем скорость выхода зрелых клеток в
кровь нарастает, достигая нормальной величины в период восста-
новления.
Качественно аналогичная цитокинетика, отличающаяся лишь
временными параметрами, наблюдается и в системах обновления
Других кроветворных ростков — эритроцитарного и тромбоцитар-
ного.
Если учесть функциональную значимость клеточных потерь в
системе кроветворения, становятся понятными причины гибели и
сроки отмирания животных после облучения в дозах до 10 Гр. Как
187
было показано на рис. 12.1, гибель мышей в этих случаях наступает
в период с 6—7 до 20—25 сут. Максимум летальности приходится
на 10—12-е сут, что соответствует периоду резкой гранулоцитопе-
нии, а несколько позднее и тромбоцитопении (см. рис. 12.7). Ос-
новными причинами летальных исходов в этих случаях являются
инфекционные процессы и геморрагии. Животные, пережившие
этот период, приобретают большие шансы на выживание, так как
в соответствии со схемой, приведенной ранее на рис. 12.4, функ-
циональный пул начинает быстро пополняться за счет пролифера-
ции выживших клеток. Развивающаяся позднее (из-за длительно-
го периода жизни эритроцитов; см. рис. 12.7) анемия на вероят-
ность гибели мышей не оказывает существенного влияния.
У более крупных животных (см. рис. 12.9) отмеченные сроки
несколько удлиняются в соответствии со свойственными им цито-
кинетическими параметрами. Костномозговой синдром у челове-
ка описан в гл. 13.
12.3. Изменения в системе обновления
желудочно-кишечного тракта
При анализе желудочно-кишечного синдрома следует иметь в
виду, что у млекопитающих наиболее важные изменения после об-
лучения происходят в тонком кишечнике. При этом наблюдается
клеточное опустошение ворсинок и крипт кишечника. Протекаю-
щие здесь клеточно-кинетические процессы аналогичны рассмот-
ренным для системы обновления костного мозга, но с другими ко-
личественными характеристиками, которые определяются пара-
метрами, присущими нормальным клеточным популяциям ки-
шечника того или иного вида животных.
Наиболее подробно эти вопросы изучены на мышах, у которых
было установлено, что дегенеративная и регенеративная фазы бо-
лее кратковременны, чем для костного мозга, и возникают при
больших дозах. Причина этого явления состоит в более ускорен-
ном прохождении клеток кишечных крипт по пулам до полностью
дифференцированного состояния (для разных отделов тонкого
кишечника мыши от 42 до 55 ч) и в большей радиорезистентности
стволовых клеток кишечника (Do = 4—6 Гр, по сравнению с DQ для
стволовых клеток костного мозга = 1 Гр). Кроме того, в радиаци-
онном поражении стволовых клеток эпителия кишечника боль-
шую роль играет апоптоз, в который они входят вскоре после облу-
188
Рис. 12.11. Потеря клеток
из крипт (а) и ворсинок (5)
у обычных (7) и выращен-
ных в стерильных условиях
(2) мышей после общего
рентгеновского облучения в
дозе 30 Гр (по В. Бонду,
1971)
чения. В результате опустошение крипт происходит на 1—2-е сут, а
нулевой показатель на ворсинках достигается через 3—3,5 сут по-
сле облучения (рис. 12.11), т. е. в период, составляющий средний
срок гибели животных при выраженных проявлениях желудоч-
но-кишечного синдрома (см. рис. 12.1).
Здесь уместно, вернувшись к анализу причин абортивного
подъема в случае гранулоцитопоэза, отметить, что временное су-
ществование клеток с грубыми аномалиями задерживает время
опустошения функциональных компартментов. Если бы этого не
происходило, то следовало ожидать наступления тяжелой формы
болезни уже через 12 — 24 ч и гибель в результате полного обнаже-
ния ворсинок через 2—2,5 сут. Именно наличие грубо аномальных
клеток оттягивает начало болезни (понос) до 2—2,5 сут, а гибель от
полного оголения ворсинок — до 3,5—4 сут. Если облучение про-
изведено в несколько меньших дозах, то у выживших животных
происходит интенсивное восстановление клеток кишечника, пол-
ностью заканчивающееся к 5-м сут.
Такая быстрая регенерация связана с относительно меньшей
радиочувствительностью стволовых клеток кишечника, благодаря
чему их сохраняется значительно больше, чем стволовых клеток
костного мозга. Тем не менее часть животных погибает. Причиной
тому служит значительное поражение гемопоэза, роль которого в
исходе лучевого поражения и при желудочно-кишечном синдроме
весьма существенна, если учесть значение микробного фактора.
Это подтверждается замедлением клеточного опустошения крипт
и ворсинок у животных, выращенных в стерильных условиях (см.
рис. 12.11), погибающих на 3—4 сут позднее, чем обычные живот-
ные, страдающие более резко выраженной нейтропенией. Кроме
того, применение антибиотиков, экранирование или трансплан-
тация костного мозга позволяют увеличивать дозу излучения, при-
189
водящую к кишечной гибели при облучении всего кишечника или
какой-либо его части.
Таким образом, кишечный синдром включает такие опреде-
ляющие летальный исход механизмы, как оголение ворсинок, ин-
фекционные процессы, поражение кровеносных сосудов, наруше-
ние баланса жидкостей и электролитов. Определить, какой из этих
механизмов наиболее существен, трудно. Пример со стерильными
животными свидетельствует о наличии тесной взаимосвязи между
отдельными критическими системами клеточного обновления и, в
частности, о большой роли миелопоэза в течении и исходе желу-
дочно-кишечного синдрома.
12.4. Характер радиационных изменений
центральной нервной системы
Ответ ЦНС на облучение принципиально отличается от реак-
ций костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь.
Это явление обусловлено тем, что зрелая нервная ткань — непро-
лиферирующая система, состоящая из высокодифференцирован-
ных клеток, замещение которых в течение жизни не происходит.
Поэтому ЦНС можно рассматривать как крайний (стационарный)
вариант системы клеточного обновления со всеми вытекающими
отсюда последствиями, характерными для лучевых реакций ра-
диорезистентных неделящихся клеток.
Гибель клеток, приводящая к церебральному синдрому, про-
исходит, как упоминалось, при огромных дозах, порядка сотен
грей (см. рис. 12.1), причем до сих пор не выяснено, является ли
причиной гибели нервных клеток их непосредственное поврежде-
ние или она вызвана опосредованно повреждениями других сис-
тем, прежде всего кровеносных сосудов.
12.5. Радиочувствительность и лучевые
реакции отдельных органов и тканей
Выше были рассмотрены основные радиационные синдромы и
проанализирована цитокинетика поражений в критических систе-
мах клеточного обновления, из которых кроветворная система и
кишечник — типичные примеры радиочувствительных тканей со
свойственной им активностью физиологической пролиферации, а
190
ЦНС — яркий пример непролиферирующих высокодифференци-
рованных радиорезистентных систем.
Проведенный анализ позволяет следующим образом связать изме-
нения, происходящие на уровне клеточных популяций, с исходом ост-
роголучевого поражения после тотального облучения. Общая реакция
млекопитающих, как функция дозы и времени после облучения, опре-
деляется четырьмя кардинальными параметрами клеточных популя-
ций: величиной пула стволовых клеток, радиочувствительностью
клеток и способностью их к восстановлению, клеточной пролифера-
цией и длительностью функционирования зрелых элементов.
С этих же позиций достаточно надежно могут быть предсказа-
ны события, которые произойдут при облучении различных об-
ластей тела, если известны клеточно-кинетические параметры об-
лучаемых тканей, что весьма важно для оценки эффектов локаль-
ного облучения, а также при планировании курса лучевой терапии
опухолей и прогнозировании ее последствий. Далее коротко рас-
сматриваются соответствующие данные для наиболее ответствен-
ных систем организма.
Кожа и ее производные. Это активно обновляющиеся, а потому
весьма радиочувствительные клеточные системы. Стволовые
клетки эпидермиса хорошо восстанавливают сублетальные повре-
ждения {Dq для этих клеток ~ 5 Гр, в то время как для кроветвор-
ных клеток ~0,5 Гр).
Принято считать, что максимально переносимая кожей доза
рентгеновского излучения при однократном внешнем воздейст-
вии составляет 10 Гр. При больших дозах возникают дерматиты, а
затем и язвенные поражения.
Семенники. Высокая радиочувствительность мужских половых
желез известна очень давно. Еще в 1903 г. Г. Альберс-Шонберг по-
казал возможность радиационной стерилизации яичек кроликов и
морских свинок, а И. Бергонье и Л. Трибондо, изучая радиацион-
ные повреждения семенников, смогли сформулировать упоми-
навшуюся выше зависимость радиочувствительности клеток от
интенсивности деления и степени дифференцировки.
Источником самообновления зародышевых клеток при спер-
матогенезе служит размножение сперматогониев. Одни из них (тип
Б), по аналогии со стволовыми клетками костного мозга, путем
ряда последовательных актов деления и созревания служат родо-
начальниками функциональных клеток — сперматозоидов, дру-
гие (тип А) — источником новых («стволовых») сперматогониев.
Вследствие крайне высокой радиочувствительности половых
Клеток на ранних стадиях развития уже при дозах 0,5—1 Гр у боль-
191
3,3
Время после облучения, сут fj
Рис. 12.12. Изменение массы семенников крыс (а) и мышей (б)
после у-облучения в дозе 2,5 Гр:
1 — необлученные (контроль),’ 2—облученные
шинства животных происходит массивное клеточное опустоше-
ние семенников, а выше 2—4 Гр наступает стерильность. Зрелые
клетки — сперматозоиды, напротив, крайне радиорезистентны.
В опытах на мышах, крысах и кроликах показано, что число
сперматозоидов, их морфология, подвижность и способность к
оплодотворению не меняются после облучения при дозах до 10 Гр.
Поэтому плодовитость облученных млекопитающих сохраняется
до тех пор, пока не истощится запас жизнеспособных зрелых поло-
вых клеток (по аналогии с костным мозгом и кишечником). Но и
после этого наступающая стерильность носит временный харак-
тер, так как происходит постепенное восстановление сперматоге-
неза из сохранившихся жизнеспособных сперматогониев типа А.
Первоначальную потерю и последующее восстановление кле-
точного состава семенников облученных животных отражает
рис. 12.12.
Пороговая поглощенная в яичках мужчин доза, вызывающая
временную стерильность, составляет около 0,15 Гр при остром об-
лучении и около 0,4 Гр/год при пролонгированном. Постоянная
стерильность возникает соответственно при дозах от 3,5 до 6 Гр и
при 2 Гр/год.
Т. Зандерман (1966) проанализировал способность к зачатию у
56 мужчин, которым проводили облучение одного яичка по поводу
192
рака; другое при этом получило от 0,5 до 3 Гр рассеянного излуче-
ния. От 15 из этих больных (у 7 из которых на второе яичко приш-
лись дозы от 2 до 3 Гр) родился 21 живой ребенок. У всех 56 боль-
ных наблюдалась либо аспермия, либо олигоспермия, и в соответ-
ствии с кинетикой клеточных популяций в течение 14 мес облуче-
ния наблюдался перерыв в оплодотворяющей способности
спермы1.
Важно заметить, что радиационная стерильность не вызывает
существенного изменения гормонального баланса, либидо и поло-
вой потенции животных и человека.
Яичники. Физиологическая регенерация в половых органах са-
мок млекопитающих проявляется в основном не в смене отдель-
ных клеток, а в циклически повторяющихся процессах развития,
регулируемых эндокринным аппаратом, и охватывающих целые
клеточные комплексы. В процессе развития того или иного фол-
ликула происходит созревание женских половых клеток от оого-
ний до ооцита. Наиболее радиочувствительный элемент яични-
ка — яйцеклетка.
Стерильность самок возникает при больших дозах, чем у сам-
цов (у мышей — при 2—5 Гр, у крыс — при 15—20 Гр), но, как пра-
вило, необратимо. Это связывают с тем, что образование женских
половых клеток заканчивается в ранние сроки после рождения и у
взрослых яичники не способны к активной регенерации. Поэтому
если облучение вызвало гибель всех потенциальных яйцеклеток,
то плодовитость утрачивается необратимо.
Пороговая доза, вызывающая постоянную стерильность у жен-
щин, составляет от 2,5 до 6 Гр при остром облучении и более
0,2 Гр/год при длительном многолетнем облучении.
Органы зрения. Известны два типа поражения глаз — воспали-
тельные процессы в конъюнктиве и склере при дозах, близких к вы-
зывающим поражение кожи, и катаракта при дозах 3—10 Гр, в за-
висимости от вида животных. Катарактогенная доза для человека
составляет около 6 Гр. Особенно опасны в этом отношении ней-
троны, эффективность которых в 3—9 раз выше, чем у-излучения.
Причины образования катаракты полностью не выяснены. Наи-
более убедительна точка зрения о ведущем значении первичного
1 Здесь не рассматриваются мутагенный эффект ионизирующих излучений и
генетические последствия, не имеющие практического популяционного значе-
ния, так как контингент людей, облучаемых по поводу злокачественных опухо-
лей гонад (см. гл. 17), малочислен.
193
поражения клеток ростковой зоны хрусталика и относительно
меньшей роли нарушения его питания.
Органы пищеварения. Наиболее радиочувствителен тонкий ки-
шечник, поражение которого и обусловливает кишечный син-
дром, описанный в начале главы. Далее по убыванию радиочувст-
вительности следуют: полость рта, язык, слюнные железы, пище-
вод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа
и печень.
Самый радиорезистентный орган — печень; у взрослых особей
печень относится к наиболее «стабильным». Непосредственных
морфологических изменений в клетках интактной печени взрос-
лых крыс не удается обнаружить при дозах локального однократ-
ного облучения до 15 Гр. Согласно результатам количественных
экспериментов Д. Джексона и Г. Христенсена, позволивших оце-
нить радиочувствительность клеток печени крыс к интерфазному
поражению, DQ составила 90 Гр, п = 3.
Сердечно-сосудистая система. К настоящему времени доста-
точно полно изучена лучевая эритема кожи, возникающая вслед-
ствие повреждений кожных кровеносных сосудов, которым не
свойственна физиологическая регенерация. Как показали специ-
альные исследования, наиболее радиочувствительным является
наружный слой сосудистой стенки, что объясняют относительно
высоким содержанием в нем коллагена, подверженного радиаци-
онному перерождению. Через 4—5 мес после облучения некото-
рые сосуды оказались полностью лишенными наружной стенки.
Кроме того, в коже мышей уже при дозах 4—15 Гр снижалась по-
следующая реваскуляризация из-за уменьшения способности эн-
дотелия облученных участков к образованию новых капилляров.
Г. Рейнгольдом и Г. Байсманом (1973) разработан количест-
венный флюорометрический микрометод оценки состояния ка-
пилляров в подкожной клетчатке. Метод основан на сравнитель-
ном изучении восстановления капиллярного русла после его раз-
рушения воздействием низкой (— 196 °C) температуры и после-
дующего стимулирования пролиферации эндотелия инъекцией
мочевой кислоты или лактата лития. В качестве критерия пораже-
ния используют так называемый индекс васкуляризации. Этот ме-
тод позволил получить кривые выживаемости эндотелия капилля-
ров. По всем параметрам радиочувствительность эндотелия близ-
ка к показателям эпителиальных клеток или клеток межуточной
ткани: Do = 1,7 Гр; п = 7; D = 3,4 Гр ( см. рис. 13.10).
Сердце до недавнего времени рассматривали как радиорези-
стентный орган, основываясь главным образом на результатах гис-
194
дологических исследований. Однако Е.И. Воробьевым с помощью
биохимических, морфофункциональных и электронно-микро-
скопических методов были обнаружены непосредственные и отда-
ленные изменения миокарда после локального облучения в дозах
5—10 Гр. Эти наблюдения были подтверждены С. Таярдо и
Д. Стьюартом, показавшими, что в развитии радиационного мио-
кардиофиброза после 12-кратного облучения сердца кроликов в
суммарной дозе 4,5 Гр основную роль играет нарушение микро-
циркуляции вследствие облитерации капилляров. Кроме того,
теми же авторами получены данные, свидетельствующие и о зна-
чительной радиочувствительности эндотелия эндокарда, повреж-
дение которого приводило к образованию внутрижелудочковых
тромбов, обнаруживаемых через полгода после локального облу-
чения (20 Гр) области сердца мышей.
Органы дыхания. Легкие взрослых — стабильный орган с край-
не низкой пролиферативной активностью в капиллярной системе;
последствия облучения легких проявляются не сразу. После облу-
чения грудной клетки мышей в достаточно больших дозах они по-
гибают от пневмонитов через 100—160 сут. При этом, по данным
Т. Филипса, при однократном облучении ЛД50/160 составила 13 Гр,
а при 20-кратном фракционировании — более 45 Гр. Тщательные
гистологические исследования выявили начальные изменения
при дозах 20 Гр, наступающие через 3 мес после облучения. Такая
задержка в проявлении повреждений связана со слабым клеточ-
ным обновлением в легочных капиллярах. Поражение легочной
ткани часто лимитирует лучевую терапию.
Головной мозг, спинной мозг и периферические нервы. Выше уже
отмечалась значительная радиорезистентность тканей ЦНС1. Лу-
чевые реакции нервной ткани головного мозга животных и чело-
века количественно охарактеризованы лишь в последние десяти-
летия прошлого столетия, когда начали применять заряженные
частицы высоких энергий для радиационного удаления гипофиза
при лечении злокачественных опухолей молочной железы.
Согласно данным Е.И. Минаковой (1979), на 4—5-е сут после
однократного облучения полушарий головного мозга крыс (ство-
ловой части и обонятельных луковиц) 3-мм. пучком протонов с
энергией 200 МэВ при дозе 200 Гр развивались очаговые невроло-
гические симптомы: парезы конечностей, нарушение чувстви-
1 Здесь не рассматриваются изменения биотоков мозга, условных рефлексов и
Другие функциональные реакции ЦНС на облучение, которые регистрируются уже
при 0,1—1 Гр, но не влияют на исход лучевого поражения.
195
тельности, расстройства ориентировочного рефлекса, и др. Даль-
нейшее состояние и жизнеспособность животных определялись
функциональной ролью пораженных структур. При меньших до-
зах (10—150 Гр) дегенеративные изменения развивались в течение
длительного времени после облучения. При незначительном рас-
ширении поля облучения (до 5 мм) морфологические изменения
ткани мозга проявлялись раньше и в большей степени. Эти наблю-
дения свидетельствуют об опосредованном механизме радиацион-
ного поражения нервной ткани, которое определяется, в частно-
сти, поражением сосудов, что нашло подтверждение в прямых экс-
периментах Б. Ларсона (1971).
В опытах со строго локальным облучением седалищного нерва
крыс и спинного мозга кроликов узкими пучками протонов
185 МэВ при длительном (до 7 мес) наблюдении также отмечена
четкая зависимость вероятности и времени возникновения паре-
зов от ширины пучка и дозы излучения. Так, облучение седалищ-
ного нерва 11 -мм. пучком в дозах 200 и 300 Гр вызывало парезы со-
ответственно через 15 — 17 и 9— 12 сут после облучения; при 4-мм.
пучке они наблюдались только с увеличением доз до 300 и 400 Гр, а
при диаметре пучка в 2 мм парезы вообще не возникали.
Эндокринные железы. Железы внутренней секреции относят к
радиорезистентным органам, хотя реакции эндокринной системы
на общее облучение общеизвестны. Однако так же как в отноше-
нии нервной системы очень трудно оценить, являются ли эти ре-
акции результатом непосредственного повреждения эндокринных
желез или отражением воздействия излучения на другие системы и
весь организм. Можно предположить, например, что наблюдае-
мые после общего облучения нарушения баланса гормонов, осо-
бенно щитовидной железы, надпочечников и гонад, могут быть
следствием реакции гипоталамо-гипофизарной системы, учиты-
вая тесную взаимосвязь между тирео-, адрено- и гонадотропными
факторами гипофиза. Во всяком случае, с позиций систем клеточ-
ного обновления эндокринные железы представляют собой попу-
ляции функциональных высокодифференцированных клеток, как
правило, с очень низким уровнем физиологической регенерации.
Особый случай составляет щитовидная железа в детском возрасте,
когда, благодаря свойственной ей высокой пролиферативной ак-
тивности, она оказывается весьма радиочувствительной, в частно-
196
сти, относительно возникновения рака, как это имело место в
результате аварии на ЧАЭС (гл. 24).
Органы выделения. Почки достаточно резистентны к действию
излучения. В экспериментах на животных разных видов при мест-
ном и общем облучении морфологические и функциональные на-
рушения наблюдались только при дозах в несколько десятков
грей. Однако повреждение почек является лимитирующим факто-
ром при облучении опухолей брюшной полости в процессе луче-
вой терапии. Как отмечает М. Тюбиана, облучение обеих почек
при дозе, большей 30 Гр за 5 нед, может вызвать необратимый хро-
нический нефрит, способный привести к смертельному исходу. В
исследованиях Т. Филипса показано, что после строго локального
облучения области почек мышей ЛД50 через 6 мес составляет около
24 Гр, а через 16 мес — около 13 Гр. При этом как в канальцах, так и
в клубочках выявляются изменения, приводящие к почечной не-
достаточности.
Экспериментальных сообщений относительно радиационных
поражений мочеточников, мочевого пузыря и мочеиспускатель-
ного канала известно мало, тем не менее, радиационные циститы
довольно часто осложняют лучевую терапию рака.
Кости и сухожилия. В период роста кости и хрящи весьма ра-
диочувствительны, а во взрослом состоянии они становятся зна-
чительно резистентнее. В качестве примера лучевого поражения
костей можно указать на образование остеонекроза, а также воз-
никновение спонтанных переломов в зоне облучения. Несмотря
на отсутствие видимых радиационных повреждений кости, они
отчетливо выявляются замедлением заживления переломов,
вплоть до образования ложных суставов.
Мышцы. Это — высокорадиорезистентные ткани организма.
Еще по данным К. Клемедсона и А. Нельсона в ранних экспери-
ментальных работах 50-х годов прошлого столетия слабая мышеч-
ная атрофия наблюдалась лишь при дозах 60 Гр, а микроскопиче-
ские и гистологические изменения мышечной ткани возникали
после 500— 1000 Гр (через 24 ч — геморрагии, через 72 ч — некроз).
Не изменили этой точки зрения и более поздние исследования.
А.К. Гуськова и Г.Д. Байсоголов (1970), учитывая, что в мышцах
человека клеточное обновление практически отсутствует, отмеча-
ют, что возможность их изолированного радиационного повреж-
дения маловероятна.
197
12.6. Относительность понятия тканевой
радиочувствительности
Относительность понятия тканевой радиочувствительности
уже была показана выше на примерах некоторых слабо пролифе-
рирующих тканей — почек, легких и щитовидной железы. Для вы-
явления скрытых радиационных повреждений в мало обновляю-
щихся и даже в стабильных тканях Г.С. Стрелин сочетал облучение
с последующим нанесением механической травмы. В этом случае
удается выявить консервацию лучевого поражения, проявляющуюся
в утрате или в угнетении способности облученной ткани к искусст-
венно индуцируемой посттравматической регенерации. Исполь-
зование этого приема на некоторых радиорезистентных, мало об-
новляющихся тканях (костной, мышечной, нервной) и сосудах
позволило установить, что и для них радиационное воздействие не
остается бесследным, они «запоминают» его и потому оказывают-
ся потенциально неполноцеными в функциональном отношении.
Весьма важными факторами, определяющими вероятность и
степень развития отдаленных последствий со стороны мало об-
новляющихся тканей, являются величина разовых доз и общая про-
должительность облучения, так как в этих тканях, наряду с харак-
терной для них консервацией поражения, существует и пострадиа-
ционная репарация (см. гл. 13).
Следствием скрытых повреждений, возникающих в клетках
любых мало обновляющихся тканей, не элиминируемых (в отли-
чие, например, от костного мозга) в процессе деления, являются, в
Рис. 12.13. Зависимость числа
клеток с хромосомными аберра-
циями (%) от дозы излучения:
а — в костном мозге мышей;
б — в печени крыс;
1 — рентгеновское излучение 180 кВ;
2 — у-излучение “Со; 3— протоны
600 МэВ
198
частности, и различные осложнения лучевой терапии. К их числу
относятся миелиты, циститы, ректиты, пульмониты, перихондри-
ты, поражения почек, сердца, печени, а возможно частично и зло-
качественные опухоли.
При сравнении радиочувствительности отдельных тканей,
следует применять только адекватные критерии. Например, для
таких, казалось бы, разных по радиочувствительности органов,
как костный мозг и печень, индукция хромосомных аберраций,
возникающих под действием эквивалентных доз излучения, почти
одинакова (рис. 12.13). В то же время если в качестве показателя
лучевого поражения использовать не непосредственные, а отда-
ленные последствия, то для этих органов они будут сильно разли-
чаться. Поэтому в зависимости от используемого критерия приме-
нительно к той или иной ткани, органу или системе понятие ра-
диочувствительности оказывается относительным (см. гл. 15).
12.7. Радиочувствительность организма
Радиочувствительность организма млекопитающих можно
связать с радиочувствительностью основной критической систе-
мы — костного мозга, ибо именно его аплазии, возникающей при
тотальном облучении, уже вполне достаточно для гибели организ-
ма. Поэтому под радиочувствительностью организма обычно по-
нимают диапазон доз, вызывающих гибель животного при явлени-
ях костномозгового синдрома.
Для количественного изучения радиочувствительности орга-
низма используют кривые выживания или смертности, при по-
строении которых на оси абсцисс откладывают дозы излучения, а
на оси ординат — процент гибели в течение определенного срока
наблюдения (чаще всего за 30 сут)1. Для всех видов млекопитаю-
щих такая кривая всегда имеет S-образную форму. Это объясняет-
ся тем, что при облучении в начальном диапазоне доз гибели еще
не наблюдается (вплоть до так называемой «минимально летальной
дозы»-, на рис. 12.14 это — 4 Гр), а начиная с некоторой дозы («ми-
нимально абсолютно летальной дозы»; на рис. 12.14 это — 9 Гр), по-
гибают все животные. Так как вся смертность регистрируется в ин-
1 Сравнение критериев радиочувствительности клеточных популяций и жи-
вотных показало, что параметры, обычно используемые для характеристики клеток
(До и л), формально можно применить и для целого организма. Однако в этом слу-
чае они теряют первоначальное смысловое значение. К этому заключению пришел
В- Бонд в результате анализа кривой выживаемости, построенной поданным опы-
тов с облучением 4300 мышей в дозах 2—34 Гр.
199
Рис. 12.14. Кривая смертности мышей, подвергнутых общему
рентгеновскому облучению (каждая точка получена для 20 животных)
(по И. Томсону, 1964)
тервале между этими дозами, то на данном отрезке кривая круто
поднимается вверх, приближаясь к 100%. В качестве примера на
рис. 12.14 приведена кривая смертности, характеризующая радио-
чувствительность мышей линии С/у
По кривой выживания можно оценить дозы, вызывающие ги-
бель любой доли животных. Наиболее пригодным показателем ра-
диочувствительности организма и чаще всего употребляемым яв-
ляется среднелетальная доза — ЛД50. Ее величину легко опреде-
лить по графику, изображенному на рис. 12.14, из которого видно,
что из-за большой крутизны всей кривой в области ЛД50 данные
наиболее точны.
Одним из наиболее распространенных методов обработки дан-
ных, используемых для сравнительной оценки радиочувствитель-
ности объектов, при изучении различных радиомодифицирующих
воздействий, а также при изучении различных токсических факто-
ров является пробит-анализ1, при котором данные представляют-
1 Термин «пробит» происходит от англ, probability unit — вероятностная едини-
ца. Пробит-анализ — количественная оценка экспериментальных данных, осно-
ванная на изучении зависимости между логарифмами доз (иногда самими дозами)
и пробитами, соответствующими наблюдаемым эффектам.
200
ся в координатах пробит-логарифм дозы. Преимущество метода
состоит в том, что он позволяет из S-образных, или, как их еще на-
зывают, сигмоидных кривых получить прямолинейную зависи-
мость эффекта от дозы. Получаемые прямые могут быть легко об-
работаны простыми статистическими методами, применяемыми
для анализа линейной зависимости.
Из данных рис. 12.14 видно, что, несмотря на большую стати-
стическую нагруженность эксперимента (более 500 животных),
при одинаковых дозах излучения наблюдается достаточно боль-
шой разброс значений выживаемости. Это определяется высокой
вариабельностью индивидуальной радиочувствительности (даже для
животных одной линии) и влиянием неконтролируемых условий
эксперимента. Приведенный пример показывает, насколько весо-
мым должен быть экспериментальный материал для того, чтобы
сделать уверенное заключение о таком интегральном показателе,
как радиочувствительность организма.
Рис. 12.15 иллюстрирует результат сравнительной обработки
данных, приведенных на рис. 12.14, в двух системах координат.
Видно, что между установленными значениями ЛД50 разница весь-
ма незначительна.
Из рассмотренных представлений о костном мозге как системе
клеточного обновления, состояние которой определяет исход по-
ражения организма в диапазоне среднелетальных доз, следовало
ожидать, что радиочувствительность организма должна коррели-
ровать с радиочувствительностью и способностью к репопуляции
пула стволовых клеток, ответственной за репопуляцию всей кро-
ветворной системы. В многочисленных исследованиях, проведен-
ных разными авторами, это предположение подтвердилось. В ча-
стности, получена достоверная количественная корреляция между
характером восстановления пула стволовых клеток мышей и вос-
становлением организма, определяемым по критерию выживае-
мости (см. рис. 13.6).
Подобная корреляция является не единственным доводом в
пользу представлений о том, что выжившие после общего облуче-
ния стволовые клетки критических систем являются своеобразны-
ми детерминантами выживаемости организма. Так, показано, что
лечебный эффект клеток костного мозга или клеток других гемо-
поэтических органов при трансплантации их летально облучен-
ным животным (см. гл. 14) полностью определяется содержанием
в трансплантате стволовых клеток. Например, для достижения
одинакового с костным мозгом лечебного эффекта надо брать в 10
раз больше клеток селезенки, которые содержат в своей популя-
201
Доза излучения, Гр (линейная шкала)
Доза излучения, Гр (логарифмическая шкала)
Рис. 12.15. Обработка данных из рис. 12.14, в координатах пробит — доза
(на логарифмической шкале (кривая 7, кружки) и пробит — доза на ариф-
метической шкале (кривая 2, треугольники):
как и на рис. 12.14, данные по дозам, вызывающим гибель 50% животных, более точ-
ны, чем по дозам, вызывающим большую или меньшую смертность
ции в 10 раз меньше стволовых кроветворных клеток. Клетки лим-
фоузлов или тимуса, практически не содержащие стволовые кро-
ветворные клетки, при лечении острого лучевого поражения не-
эффективны.
Д. Тилл и Е. Мак-Куллох в 1961 г. показали, что терапевтиче-
ское действие костного мозга определяется так называемыми кро-
ветворными колониеобразующими единицами (КОЕ), обладающими
всеми свойствами стволовых кроветворных клеток, включая оди-
наковую радиочувствительность. Довольно близка также оценка
радиозащитного действия протекторов по тесту числа КОЕ и по
30-дневной выживаемости животных. Одинаковые изменения в
выживаемости стволовых клеток и организма отмечены и при дру-
гих модификациях воздействия, например, при изменении мощ-
ности дозы, фракционировании (см. рис. 13.6), а также при ис-
пользовании излучений, различающихся по ЛПЭ.
202
Таким образом, клеточ-
ным субстратом, ответст-
венным за выживание орга-
низма, является пул стволо-
вых клеток системы клеточ-
ного обновления, критиче-
ской в данном интервале
доз. Рассматривая с этих
позиций наиболее вероят-
ные причины вариабельно-
сти индивидуальной радио-
чувствительности живот-
ных, можно предположить,
что они связаны либо со
статистической вероятно-
стью поражения, а, следо-
Рис. 12.16. Зависимость величины ЛД50/30
от возраста мышей линии SAS/4 (по
М. Кроссфилу и др., 1959)
вательно, и выживания
большего или меньшего числа стволовых клеток, либо с различия-
ми в их числе, либо, наконец, определяются различиями в собст-
венной радиочувствительности стволовых клеток.
Кроме индивидуальных, существуют половые (самки, как пра-
вило, менее чувствительны к излучению) и возрастные различия в
радиочувствительности организма.
На рис. 12.16 приведены данные об изменении ЛД50 в различ-
ные периоды жизни мышей. Видно, что радиочувствительность в
первые 2—3 нед после рождения наиболее высока, затем снижает-
ся, выходя на плато в половозрелом состоянии, и вновь повышает-
ся в последний период жизни.
Пока еще нет достаточных данных для объяснения сложной
картины изменения радиочувствительности в зависимости от воз-
раста. Весьма заманчиво предположить, что и это явление отража-
ет участие каких-то, пока не идентифицированных систем, актив-
но функционирующих в определенные периоды жизни и в это
время наиболее радиочувствительных. Например, высокая ра-
диочувствительность развивающихся мышей может быть связана
с поражением ЦНС, клетки которой в этот период активно про-
лиферируют и дифференцируются, а потому столь же чувстви-
тельны к излучению, как и клетки любой другой пролиферирую-
щей ткани.
В табл. 12.1 приведены данные о величинах ЛД50 для разных ви-
дов животных и человека, которые позволяют представить межви-
203
довыс различия млекопитающих во всем диапазоне доз излучения,
вызывающем основные радиационные синдромы.
Таблица 12.1. Величины среднелетальных доз при средней
продолжительности жизни 30, 8, 5 и 2 дня для животных различных
видов и человека (по В. Бонду и др., 1971)
Объект исследования Вид излучения и энергия, кэВ Среднелетальные дозы излучения, Гр
лдя/а лд„,/8 лДш/, лд„/2
Мышь X*, 200 6,4 — 12,5 180-400
Мышь (стерильная) X, 250 7,0 20 — —
Крыса X, 250 7,1 — 8,0 200-300
Морская свинка X, 200 4,5 15 — 60
Хомяк X, 200 X, 250 6,1 8,6 10 — 200
Кролик X, 250 7,5 — — —
Козел X, 200 у-нейтронный ис- точник 2,4 — 20 250
Свинья у-изл учение 2,5 — — 220
Осел у-излучение у-нейтронный ис- точник 2,5 3,7 — — —
Собака X, 250 2,5 — 13 —
Масаса mulata у-излучение — 15 — 100
Масаса rhesus у-излучение — 10 — 50
Человек у-излучение 3 — — —
*Х — рентгеновское излучение.
При воздействии плотноионизирующих излучений отмечается
преимущественная гибель от кишечного синдрома. Анализ этого
феномена [Коноплянников А.Г., 1984] показал, что более высокая
эффективность нейтронов в отношении поражения кишечника
связана с характерной для его стволовых клеток большей (по срав-
нению с кроветворными) способностью к восстановлению. Ней-
троны, как и другие плотно ионизирующие частицы, сильно по-
давляют восстановление и потому поражают кишечник в большей
степени, чем органы кроветворения. На рис. 12.17 показано, что
при воздействии редко ионизирующего излучения (у-лучи) кри-
вые выживаемости стволовых клеток двух критических систем
смещены относительно друг друга на 4—5 Гр. Этот интервал связан
со значительно большей величиной Dq(плеча кривой выживаемо-
сти) стволовых клеток кишечного эпителия, чем у стволовых кро-
ветворных клеток. Как известно (см. гл. 7), величина /Луопределя-
204
Рис. 12.17. Кривые выживания
стволовых клеток кишечника
(7) и стволовых кроветворных
клеток (2) мышей при у-облуче-
нии; 3 и “/—то же, при облу-
чении нейтронами (по А.Г. Ко-
ноплянникову, 1982)
ет способность клеток репарировать радиационные сублетальные
повреждения. При действии нейтронов «плечо» на кривых доза —
эффект исчезает, и они для двух видов стволовых клеток различа-
ются мало. При облучении нейтронами резко сокращается интер-
вал между дозами, определяющими костномозговую и кишечную
формы гибели животных. Так, величины ЛД50/30 и ЛД 50/4 при у-об-
лучении мышей (60Со) составляют соответственно 6,5 и 10,8 Гр, а
при облучении нейтронами со средней энергией 0,85 МэВ — 0,24
и 0,28 Гр.
Большая эффективность облучения нейтронами в отношении
кишечника показана и на собаках, но так как дозы, вызывающие у
них кишечный и костномозговой синдром, различаются по край-
ней мере в 5 раз, т. е. значительно больше, чем у мышей, то при об-
лучении в среднелетальных дозах не возникает эффективного по-
ражения кишечника, а следовательно, и гибели от кишечного син-
дрома.
Наконец, ретроспективный анализ аварии в Лос-Аламосе,
приведшей к смерти человека с явлениями радиационного желу-
дочно-кишечного синдрома, показал, что и в этом случае имело
место облучение нейтронами, причем доза не превышала 1 Гр.
Таким образом, в основе различий в выраженности двух основных
радиационных синдромов, вызванных редко- и плотноионизирующим
излучениями, в конечном счете лежат свойственные стволовым
клеткам критических систем различия в способности репарировать
радиационные повреждения.
205
Дополнительные доказательства способности выживших ство-
ловых клеток кишечника определять (детерминировать) вероят-
ность выживания организма мышей в соответствующие сроки
(4—5 сут после облучения) получены и в опытах, проведенных с
использованием различных способов модификации лучевых реак-
ций (варьирование мощности дозы, фракционирование, приме-
нение ряда радиопротекторов и радиосенсибилизаторов).
Функционирование соответствующих детерминантных кле-
точных элементов показано и в других системах клеточного обнов-
ления — коже, сперматогенном эпителии и в некоторых опухолях.
Лучевая реакция этих систем, особенно на этапе восстановления
популяции, во многом определяется фондом жизнеспособных
стволовых клеток. Все это дает основание свести межвидовые и
индивидуальные различия в радиочувствительности организма
млекопитающих к особенностям кинетики клеточных популяций
критических систем, детерминантами поражения которых в ос-
новном являются соответствующие стволовые клетки.
12.8. Детерминированные эффекты облучения
12.8.1. РАННИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ
При рассмотрении радиочувствительности тканей, органов и
организма были приведены крайние случаи клинического прояв-
ления — в виде летальных эффектов, когда наиболее четко выра-
жена связь непосредственных лучевых реакций с выходом из строя
тех или иных критических систем вследствие их клеточного исто-
щения. Конкретными детерминантами при этом, в разных диапа-
зонах доз излучения, являются стволовые клетки соответствую-
щих систем. В зависимости от их функциональной значимости это
проявляется в виде острой лучевой болезни (при общем облуче-
нии), либо при поражении отдельных органов, например кожи
или половых желез, в виде лучевых ожогов и стерильности.
Подобные клинически значимые непосредственные лучевые ре-
акции, связанные с клеточными утратами, объединяются терми-
ном детерминированные эффекты. Все они являются пороговыми,
т.е. возникают только при достижении определенной дозы и уси-
ливаются с ее увеличением.
В отличие от таких клинически значимых непосредственных
лучевых реакций, клеточные утраты в тех же системах обновления
всегда происходят и при меньших дозах, однако, вследствие актив-
206
ной пролиферации, они весьма кратковременны, полностью об-
ратимы, т. е. клинически не значимы. Учитывая их общую с детер-
минированными эффектами природу, представляется логичным
назвать их квазидетерминированными эффектами.
12.8.2. ПОЗДНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ
Наряду с ранними, существуют и поздние детерминированные
эффекты, характеризующиеся медленным нарастанием и длитель-
ным течением. Они являются следствием гибели функциональных
клеток тканей с низкими уровнями пролиферации и спонтанной
гибели клеток. Последствия гибели этих клеток во многих случаях
усугубляются постепенным отмиранием пораженных эндотели-
альных клеток капиллярной сети, питающей эти ткани. Первым
по времени возникновения из поздних детерминированных эф-
фектов является катаракта (см. гл. 17). Наиболее типичными при-
мерами тканей, в которых детерминированные эффекты могут на-
растать в течение многих лет, являются периферическая и цен-
тральная нервная системы, кожа (имеется в виду гибель фибробла-
стов), кости.
Чаще всего подобные поздние детерминированные эффекты
наблюдаются после лучевой терапии опухолей, проводимой с ис-
пользованием высоких очаговых доз излучения, в виде фиброзов,
патологических переломов костей и различных нейропатий.
Примером может служить наблюдение за женщинами, пере-
несшими послеоперационное облучение верхней части туловища
и нижней части шеи после удаления опухоли молочной железы.
При этом в зону воздействия попадало нервное плечевое сплете-
ние, которое получило курсовую дозу фракционированного облу-
чения около 80 Гр. Через несколько лет у больных начала разви-
ваться нейропатия, сопровождающаяся параличом, частота кото-
рых возросла с 43% через пять лет после лечения до 100% через
30 лет (рис. 12.18). Кроме нейропатии и параличей, у части боль-
ных развивался фиброз подкожной клетчатки и некроз костей.
Медиана периода развития перечисленных поздних детерминиро-
ванных эффектов была равна 2 годам для фиброза, 3 — для нейро-
патии, 5 — для некроза костей и 7 годам — для паралича.
В последние годы появились сообщения отдельных авторов
[Престон Р., 2000—2002] о повышении общесоматической заболе-
ваемости (патологии сердечно-сосудистой системы, кишечника и
др.,) среди японской корты пожизненного наблюдения, выявлен-
ные с помощью статистического анализа через 50 и более лет после
207
Рис. 12.18. Частота развития нейропатии и параличей в результате лучевого
поражения нервного плечевого сплетения у пациентов, подвергшихся луче-
вой терапии по поводу рака молочной железы [по С. Йохансон, 2000]:
светлые столбики — нейропатия: темные — нейропатия с параличем
облучения при дозах от 0,1 до 1 Зв. Сама по себе возможность раз-
вития такого рода детерминированных эффектов теоретически
возможна, если учесть описанную выше «консервацию» лучевых
поражений в слабо пролиферирующих и стационарных тканях,
которые при таких низких уровнях облучения проявились только
через десятки лет.
Согласно последним данным украинских исследователей [Бе-
лый А.А., Коноваленко А.Н., Бебешко В.Г., 2003], при динамиче-
ском наблюдении за 162 лицами, перенесшими ОЛБ 1—3-й степе-
ни, был также отмечен рост заболеваний тех же висцеральных сис-
тем, частота которых, однако, не зависела от степени тяжести
ОЛБ, т. е. не зависела от дозы излучения, которая составляла 1—3 Гр.
Поэтому наблюдаемый рост заболеваемости, по мнению авторов,
обусловлен факторами нерадиационной природы. Эти данные не
отвергают вероятности, хотя и крайне малой, развития детермини-
рованных эффектов в более поздние сроки после облучения в ма-
лых дозах. Ясность в этом вопросе может быть получена в радиаци-
онно-эпидемиологических исследованиях, проводимых среди ли-
квидаторов Чернобыльской аварии и населения, проживающего
на загрязненных территориях (см. гл. 23).
В заключение данной главы приводим табл. 12.2, в которой
сведены основные эффекты облучения человека при разных по-
глощенных дозах острого воздействия.
208
Таблица 12.2. Основные эффекты облучения человека
Доза Категории эффектов, примеры Примечания
До 0,2 Гр Квазидетерминированные эф- фекты: краткосрочная лимфо- и лейкопения Клинически незна- чимы
> 0,2 - < 5 Гр для ранних и от- сроченных эффек- тов, десятки Гр — для поздних Детерминированные эффекты: а) ранние, вскоре после облуче- ния — поражения кожи — эрите- ма, ожог, язва б) отсроченные, спустя месяцы, годы — стерильность, катаракта, нефро-, кардиосклероз в) поздние, спустя годы, при больших дозах — фиброзы, нейро- патии, поражения костей Клинически значи- мы, их степень зависит от дозы при местном и общем облучении
0,1-1 Гр Поздние детерминированные эффекты при малых дозах: различ- ные функциональные нарушения сердечно-сосудистой, нервной и других систем, отмеченные через 50 лет среди японцев, переживших атомную бомбардировку Радиационная при- рода подобных эффек- тов нуждается в под- тверждении и изуче- нии
Теоретически при любой дозе Стохастические эффекты: а) злокачественные новообразо- вания (ЗНО) — рак и лейкозы, ре- гистрируются спустя годы, десятки лет; б) генетические (наследствен- ные) эффекты в потомстве, обнару- живаются сразу после рождения Практически риск ЗНО отмечен после 0,5 Гр, генетические эффекты у человека пока не зарегистриро- ваны
<0,1 Гр ( доза облучения плода) Тератогенные эффекты: различные пороки развития и уродства, возникшие в результате облучения плода на разных стадиях закладки того или иного органа Будучи пороговыми подозе, относятся к де- терминированным, а по вероятности прояв- ления того или иного эффекта — к стохасти- ческим
РЕЗЮМЕ
• При общем облучении животных отмечается ступенча-
тый характер их гибели в определенных диапазонах доз, вслед-
ствие выхода из строя определенных критических органов или
систем, ответственных за выживание в этих дозовых диапазо-
нах, что проявляется в виде трех основных радиационных син-
дромов — костномозгового, кишечного и церебрального.
209
• Временные и количественные параметры радиационных
синдромов определяются цитокинетическими параметрами
соответствующих самообновляющихся клеточных систем —
кроветворения, тонкого кишечника и ЦНС.
• Костный мозг и кишечник — типичные примеры актив-
но пролиферирующих радиочувствительных систем клеточно-
го обновления, а ЦНС, напротив, — наименее делящихся (ста-
ционарных) радиорезистентных органов.
• Радиочувствительность организма наиболее часто опре-
деляется поражением костного мозга, т.к. критической систе-
мой, ответственной за выживание при дозах до 10 Гр, является
кроветворение. Критическим органом в следующем диапазоне
от 10 до 100 Гр оказывается тонкий кишечник.
• Клеточными детерминантами, определяющими степень
радиационного поражения обеих критических самообновляю-
щихся систем, являются стволовые клетки костного мозга и
кишечника, идентифицируемые с колониеобразующими еди-
ницами.
• Развивающиеся в ближайшие сроки после облучения в
определенных (пороговых) дозах клинически значимые луче-
вые реакции, связанные с клеточным опустошением активно
пролиферирующих систем самообновления, объединяются
термином «детерминированные эффекты».
• Временные, легко восполнимые клеточные утраты при
меньших дозах, не вызывающие клинически значимых реак-
ций организма, относятся к квазидетерминированным эффек-
там.
• Тканевая радиочувствительность — понятие относитель-
ное. В радиорезистентных стационарных или слабо пролифе-
рирующих органах и тканях под влиянием облучения возника-
ют (и сохраняются, консервируются) скрытые типичные ра-
диационные повреждения, в частности, хромосомные аберра-
ции, которые могут быть выявлены в условиях активации
клеточного деления, например, в процессе посттравматиче-
ской регенерации.
• Лучевые поражения, развивающиеся в отдаленные сроки
после облучения вследствие отмирания функциональных кле-
ток слабо пролиферирующих тканей, таких как сосуды, кости
и нервы, относятся к поздним детерминированным эффектам.
ГЛАВА
1 3 ПРОЦЕССЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
В ОБЛУЧЕННОМ ОРГАНИЗМЕ
Кинетика восстановления облученного организма
Пострадиационное восстановление основных критических
систем и всего организма
Фазное изменение радиорезистентности организма в раннем
пострадиационном периоде
Неполноценность восстановления некоторых функций после
облучения
Особенности повреждения и репарации малообновляющихся
тканей
Необратимая компонента лучевого поражения организма
Восстановление организма после острого лучевого поражения в
первом приближении можно свести к пролиферации клеток, сохра-
нивших жизнеспособность, благодаря чему восполняется убыль по-
пуляции клеток критических органов и систем, а следовательно, вос-
станавливается их функциональная полноценность.
Источником пострадиационного восстановления критических
тканей и органов могут быть не только неповрежденные клетки, но и
клетки, поврежденные обратимо и восстановившие жизнеспособ-
ность, 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 эле-
ментов.
Процессы восстановления в организме животного и человека по-
сле облучения протекают с различной скоростью: наивысшей в ак-
тивно пролиферирующих тканях и минимальной в тканях с низким
уровнем пролиферации.
13.1. Кинетика восстановления организма
после общего облучения
Распространенный метод количественной оценки пострадиаци-
онного восстановления организма состоит в изучении чувствитель-
ности организма к повторному облучению, производимому в раз-
ные сроки после первоначального радиационного воздействия.
211
О 5 10 15 20 25
Время после облучения, сут
Рис. 13.1. Теоретическая кри-
вая восстановления организма
с долей необратимого пораже-
ния (по Г. Дэвидсону, 1960)
Этот метод и положенная в его основу теория восстановления орга-
низма впервые были выдвинуты Г. Блэром (1955), а затем развиты
Г. Дэвидсоном. В качестве меры чувствительности организма к мо-
менту повторного облучения принимают величину ЛД50/30 (началь-
ная доза), сравнивая ее с (повторной) дозой, вызывающей тот же эф-
фект при одновременном облучении в суммарной дозе.
Согласно классической теории Блэра1, пострадиационное вос-
становление протекает с постоянной скоростью (пропорциональной
величине поражения) по экспоненциальному закону. Это относится,
однако, не ко всей величине начального поражения, а к определен-
ной его части, так как другая часть является необратимой (она про-
порциональна величине общей накопленной дозы). Иными слова-
ми, эффективную (остаточную) дозу можно выразить следующей
формулой:
Dt =Z)[/4-(l-/)e-₽'],
где D — доза первоначального поражения; f — необратимая часть
поражения; (1—/) —доля обратимого лучевого повреждения; р —
скорость восстановления в сутки; t — число суток; е — основание
натуральных логарифмов.
На рис. 13.1 приведена теоретическая кривая восстановления орга-
низма при р и / равных 12,5 и 10% соответственно.
Если повторное облучение и определение ЛД50/30 производить
через разные промежутки времени, то по разнице между величи-
нами ЛД50/30 при однократном и повторном облучении можно оп-
ределить несколько важных количественных параметров. К ним
1 Г. Блэр, в соответствии с данными своего времени, мог наблюдать только фе-
номенологию, не зная о существующих двух механизмах восстановления — репа-
рации и пролиферации.
212
относятся: изменение во времени величины остаточного радиаци-
онного поражения (необратимой компоненты), темп восстанов-
ления радиорезистентности организма и период его полувосста-
новления — время, необходимое для восстановления организма
от лучевого поражения на 50%.
Период полувосстановления (Т,/2) практически является кон-
стантой, как правило, увеличивающейся с видовой продолжитель-
ностью жизни животного. По данным разных авторов, он равен
для мыши 2—8, для крысы 6—9, для собаки 14—18, для осла
20—28 сут.
У человека Т1/2, согласно расчетам, составляет 25—45 сут; в
среднем его принимают за 28 сут при скорости восстановления
~0,1%.
Американскими исследователями была предложена формула
для вычисления эффективной (остаточной) дозы (2)эф) для челове-
ка с расчетом, что 10% поражения остаются необратимыми:
2)эф = 0,12) — 0,92) 0,975'~4 ,
где D — доза при однократном облучении; t — число суток, про-
шедших после облучения. Позднее была предложена упрощенная
формула:
2)эф= 2)(КВ),
где КВ — коэффициент времени — часть поражения, оставшегося
к каждому данному моменту времени, прошедшему после первого
облучения. Ниже представлены значения КВ для различных сро-
ков после облучения человека:
Время, сут КВ Время, сут КВ
5 0,90 60 0,30
10 0,80 100 0,18
20 0,70 200 0,11
30 0,60 365 0,10
В последующем была подтверждена справедливость концеп-
ции Блэра—Дэвидсона в ее общем виде, особенно в области ори-
ентировочного прогнозирования тяжести поражения и планиро-
вания мер по противолучевой защите человека. В то же время срав-
нительно рано начали накапливаться факты, противоречившие
этой концепции и имевшие большое принципиальное научное
значение, важное для экспериментальной и клинической радио-
биологии.
213
Время после 1-го облучения, сут
Рис. 13.2. Зависимость динамики остаточного повреждения от времени меж-
ду первым и повторным рентгеновским (7) или протонным (2) облучением
Прежде всего стало известно, что процесс изменения постра-
диационной радиочувствительности организма характеризуется
фазовой периодичностью, сопровождающейся переменой знака
радиочувствительности. Первые данные о возможности уменьше-
ния чувствительности к повторному облучению, индуцируемому
предварительным облучением в нелетальной дозе получены в экс-
периментах на мышах. Затем аналогичные результаты были полу-
чены на других видах животных — крысах, собаках и овцах.
На рис. 13.2 приведены собственные результаты изучения из-
менений радиорезистентности мышей, полученные в зависимости
от интервала между первым и повторным воздействиями двумя
видами редко ионизирующих излучений — рентгеновским излу-
чением 180 кэВ и протонами, ускоренными до энергии 660 МэВ.
Видно, что в течение первой недели после облучения происходит
быстрое уменьшение остаточного повреждения, сменяющееся за-
тем периодом повышенной радиорезистентности (с 10-х по 18-е
сут), после которого радиочувствительность возвращается к ис-
ходному уровню. Различий в кинетике процесса при действии
обоих видов излучения обнаружено не было (как и следовало ожи-
дать, исходя из близких значений их ЛПЭ).
Таким образом, в данном эксперименте, как и в работах других
авторов, в течение первых 20—30 сут после острого однократного
облучения не только не удалось зарегистрировать необратимую
компоненту лучевого поражения, но даже имел место период вре-
менного повышения радиорезистентности организма.
214
Рис. 13.3. Период полувосстановления после облучения мышей
в разных дозах (по И.Г. Акоеву, 1970)
Кроме того, в дальнейшем выяснилось, что период полувос-
становления, а следовательно, и константа восстановления в урав-
нении Блэра не являются величинами постоянными и зависят от
дозы излучения. В опытах И.Г. Акоева на мышах, подвергнутых
повторному облучению, было установлено, что наибольший темп
восстановления наблюдается после первоначального воздействия
в дозе 4 Гр. Темп восстановления (рис. 13.3), по мнению автора,
связан соответственно с возрастанием тяжести поражения или с
недостаточной мобилизацией репарационных механизмов из-за
слабой степени повреждающего воздействия.
Отмечено также, что чувствительность организма к повторно-
му облучению не совпадает с клиническими признаками болезни,
так как определяемое таким способом восстановление может опе-
режать развитие разнообразных проявлений лучевого синдрома.
Все эти данные послужили основой для критики концепции
Блэра. В работах В.А. Резонтова, посвященных анализу данного
вопроса, указывается на неправомерность такого подхода для уни-
версальной оценки состояния облученного организма по следую-
щим соображениям:
1) возможно несоответствие между интенсивностью времен-
ных процессов при первом и повторном облучениях;
2) не исключена несопоставимость общепринятых оценочных
тестов при первом и повторном облучении;
3) принципиально невозможно равенство биологической эф-
фективности доз первого и второго облучения в любом их сочета-
нии;
4) отсутствие достаточных оснований для полного распростра-
нения всех выявленных закономерностей на дозы, не вызываю-
щие гибель.
215
Тем не менее приведенные дополнительные данные не снижа-
ют ценности количественных принципов Блэра, а лишь свиде-
тельствуют о необходимости внесения соответствующих коррек-
тивов при построении и анализе конкретных экспериментов с уче-
том постоянно накапливающейся информации. При рассмотре-
нии клеточных аспектов пострадиационного восстановления
организма необходимо (при известной ограниченности такого
подхода) выделить наиболее ответственное звено в цепи разви-
вающихся событий, поражение и восстановление которого подда-
ется количественному учету.
Самый рациональный путь решения данного вопроса — цито-
кинетическое и функциональное изучение критических органов,
определяющих течение и исход лучевого поражения организма в
соответствующих интервалах доз.
13.2. Регенерация костного мозга
и пострадиационное восстановление организма
Многочисленные экспериментальные данные, как уже упоми-
налось в предыдущей главе, послужили основанием для заключе-
ния о том, что восстановление организма млекопитающих после
облучения в значительном диапазоне доз (при тотальном облуче-
нии 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 разработа-
ны методы, позволяющие разделить различные субпопуляции
стволовых клеток, а потому все еще остается спорным вопрос о
роли стволовой клетки как единой полипотентной клетки — пред-
шественницы 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 экспоненци-
альному закону с одной и той же скоростью независимо от дозы
(см. рис. 12.8). Н.Л. Шмакова в нашей лаборатории провела коли-
чественные исследования костного мозга мышей, облученных в
дозах 2,7—7 Гр. При этом одновременно определялись несколько
216
показателей: число погибающих в самые ранние сроки от интер-
фазного поражения ядросодержащих клеток (миелокариоцитов),
кинетика митотического индекса, а также общее количество деля-
щихся клеток и доли в них нежизнеспособных клеток с хромосом-
ными аберрациями.
Полученные результаты показали, что основной причиной ката-
строфического начального опустошения костного мозга является за-
держка клеточного деления при продолжающемся выходе форменных
элементов в кровеносное русло с обычной скоростью, на которой облу-
чение практически не сказывается. В этом процессе почти не участ-
вуют лимфоциты; погибая на месте, в костном мозге, по апоптоти-
ческому 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 ис-
ходного 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 пролифера-
тивного пула в норме. На рис. 13.4, где представлены эксперимен-
тальные данные, полученные Н.Л. Шмаковой, видно, что время
полуобновления костномозговой популяции у белых беспородных
мышей составляет 17 ч.
Механизм опустошения костного мозга впервые описан Т. Па-
ком (1965), продемонстрировавшим возможность полного модели-
Рис. 13.4. Кинетика клеточного опустошения костного мозга мышей
в начальный период после рентгеновского облучения
217
рования кинетики радиационного поражения репродукции крове-
творных клеток ингибиторами митозов — колцемидом или винбла-
стином. Аналогичные закономерности обнаружены А.М. Коно-
ненко в серии работ 1966—1970 гг. по количественному
кинетическому анализу радиационного поражения и восстановле-
ния слизистой кишечника. Это позволяет рассматривать данный
механизм в качестве универсального, объясняющего пострадиа-
ционное опустошение органов, работающих по принципу откры-
тых систем.
Изучение кинетики миелокариоцитов в пострадиационный
период указывает, что уменьшение их количества, отражающее
скорость выброса, сохраняет экспоненциальный характер лишь до
начала регенерации. Наблюдающееся затем увеличение количест-
ва клеток (см. рис. 13.4) происходит тем раньше, чем меньше доза
излучения, и определяется различиями в сроках восстановления
митотической активности из-за более короткого периода ее тор-
можения при меньших дозах (см. гл. 8). Это и обеспечивает начало
регенерации с более высокого уровня. Кроме того, на величине
создаваемого клеточного фонда сказывается и качество митоза,
так как даже при относительно высоком митотическом индексе
наличие большого числа патологических митозов практически не
приводит к образованию новых клеток (табл. 13.1).
Строгая связь между дозой излучения, числом погибших клеток и
началом регенерации позволяет использовать общее количество кле-
ток в некотором объеме костного мозга в качестве надежного коли-
чественного критерия оценки тяжести поражения в определенные
сроки после облучения.
Аналогичным образом используют определение общего числа
клеток или массы других радиочувствительных органов (селезен-
ки, тимуса, лимфатических узлов, тонкого кишечника, семенни-
ков), отражающей степень убыли этих клеток.
Обращает на себя внимание тот факт, что через 2—4 сут после
облучения, когда доля клеток с аберрациями еще достаточно вы-
сока, соотношение разделившихся клеток при дозах 7 и 2,7 Гр со-
ставляет 1:10, в то время как число жизнеспособных клеток при
дозе 7 Гр в 30 раз меньше. Это объясняется тем, что с ростом дозы
доля патологических митозов среди разделившихся клеток возрас-
тает.
218
Таблица 13.1. Изменение пролиферативного пула костного мозга
мышей в течение 2—4 сут после облучения
Доза, Гр Количество разделившихся клеток в бедренной кости х 10*
Всего С летальными хромосом- ными аберрациями Жизнеспособных*
2,7 9,60 3,10 6,50
4,0 3,10 0,87 2,23
7,0 0,96 0,72 0,18
"Предполагается, что большинство клеток с аберрациями погибаетпри первом митозе.
Следствием описанных процессов является связанное с дозой
уменьшение скорости заполнения кровеносного русла зрелыми жизне-
способными клетками, определяющее, в свою очередь, глубину и дли-
тельность лейкопении. Активная регенерация костного мозга при-
водит к количественной нормализации миелокариоцитов, время
наступления которой находится в обратных отношениях с дозой
излучения.
На рис. 13.5 показано, что при дозе 2,7 Гр в период 10—20 сут
после облучения общее число миелокариоцитов у мышей даже
превышает исходную величину. Аналогичная гиперплазия кост-
ного мозга примерно в те же временные периоды отмечена
А.Л. Выгодской в нашей лаборатории и при нелетальном облуче-
нии крыс.
Время после облучения, сут
Рис. 13.5. Динамика общего числа ядросодержащих клеток костного мозга
мышей, подвергнутых общему рентгеновскому облучению
219
При сравнении рис. 12.2 и 12.5 видно, что период временного
повышения радиорезистентности организма мышей по срокам
точно совпадает с гиперплазией костного мозга. Этот факт тракту-
ется большинством авторов в пользу существования причин-
но-следственных отношений между обоими феноменами, отра-
жающих увеличение клеточного фонда как основы последующего
ускорения регенерации кроветворения, а следовательно, и восста-
новления организма.
13.3. Динамика радиорезистентности организма
в раннем пострадиационном периоде
В гл. 8 было показано, что для изолированных клеток фазовое
изменение радиочувствительности наблюдается не только в отно-
сительно отдаленные сроки, но и в первые часы после облучения.
Вначале (первые 5—8 ч) происходит повышение радиорезистент-
ности, затем (через 9—12 ч) — кратковременное ее снижение, по-
сле чего она снова монотонно повышается. Аналогичное явление
обнаружено и при изучении выживаемости животных после облу-
чения в дозах, вызывающих гибель при явлениях костномозгового
или кишечного синдромов.
Начальный период повышения радиорезистентности клеток
связывают с восстановлением их от сублетальных повреждений,
фазу повышения радиочувствительности — с частичной синхро-
низацией пула на наиболее радиочувствительной стадии клеточ-
ного цикла, а последующее монотонное снижение чувствительно-
сти объясняют следствием начавшейся клеточной регенерации.
Необходимо обсудить правильность объяснения двух первых
периодов, так как интерпретация третьего едва ли вызывает со-
мнения. Как и прежде, для получения информации о механизмах
ранних изменений радиочувствительности можно воспользовать-
ся цитологическим анализом соответствующих критических сис-
тем. На рис. 13.6 сопоставлены данные 30-суточных наблюдений
за выживаемостью мышей, подвергнутых двукратному облучению
в дозах 3 и 4,2 Гр (с интервалом 1,5; 3; 6; 9; 12; 18 и 24 ч), и состоя-
нием их стволовых кроветворных клеток. Видно, что зависимости
повторяют одна другую и по форме, и по временным параметрам.
Это дает основание считать, что изменение радиочувствительно-
сти организма, происходящее в первые часы после облучения в
данном диапазоне доз, целиком определяется состоянием крове-
творных клеток. Если это так, то снижение чувствительности, на-
220
Рис. 13.6. Влияние интервала между первым и вторым облучениями на вы-
живаемость мышей — 1 (по С. П. Ярмоненко, 1966) и кроветворных кле-
ток — 2, 3 (2—по В. П. Парибоку, А. И. Переверзеву, 1967; 3 — по
Е. Мак-Куллоху, Д. Тиллу, 1964)
бл издающееся через 18 и 24 ч после первой дозы (3 Гр), легко объ-
ясняется начавшейся регенерацией кроветворных клеток, которая
при данном уровне радиационного воздействия уже хорошо обна-
руживается (см. рис. 13.4). Однако для результатов, полученных в
более ранние сроки, в частности через 3 и 6 ч, такое объяснение не-
приемлемо, так как в это время митотическая активность костного
мозга почти полностью угнетена. Между тем (см. рис. 13.6) выжи-
ваемость мышей в эти сроки увеличивается на 20—50%.
Данный феномен с полным осно-
ванием можно считать следствием
восстановления жизнеспособности
части клеток костного мозга, элими-
нировавших сублетальные поврежде-
ния, нанесенные первой дозой.
Вследствие этого к моменту повтор-
ного облучения увеличивается пул
жизнеспособных клеток. Анализ ко-
стного мозга через трое суток (период
максимальной аплазии) после дву-
кратного облучения с 3-часовым ин-
тервалом показал, что число миелока-
риоцитов действительно более чем на
30% превышает их уровень у кон-
трольных животных, подвергнутых
однократному облучению в той же
суммарной дозе (рис. 13.7).
Рис. 13.7. Число миелокарио-
цитов в бедренной кости
мыши на третьи сутки после
облучения
221
Рис. 13.8. Четырехдневная выживаемость мышей, подвергнутых двукратному
(600 бэр • 2) рентгеновскому (7) или нейтронному (2) облучению как функ-
ция времени между отдельными фракциями (по Д. Бьюли, С. Хорнси, 1964)
Анализируя рассматриваемое явление на клеточном уровне,
вполне логично предположить, что доля клеток, выживших после
первого облучения, должна быть представлена наиболее радиоре-
зистентной частью асинхронной популяции костного мозга. По-
этому 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 несколь-
ких часов приводит к увеличению числа выживших клеток, что од-
нозначно свидетельствует о наличии истинного восстановления
жизнеспособности части клеток, которое подтверждено в экспе-
риментах М. Элкайнда на синхронизированных клеточных куль-
турах.
Изменение радиочувствительности организма в первые часы
после облучения наблюдается и при более высоких дозах, вызы-
вающих «кишечную» гибель. Как показано на рис. 13.8, при рент-
геновском двукратном облучении мышей в суммарной дозе 12 Гр
также наблюдается фазное изменение радиорезистентности орга-
низма, тестируемое по интенсивности «кишечной» гибели, — чис-
лу мышей, погибших к 4-м сут. В этом случае существование ис-
тинного восстановления подтверждается отсутствием различий
между эффектами однократного и повторного облучения нейтро-
нами (см. кривая 2нарис. 12.8), вызывающими трудно репарируе-
мые или вовсе нерепарируемые повреждения клеток (см. гл. 6 и 8).
222
Повышение радиорезистентности в ранние сроки после облу-
чения наблюдалось на различных клетках (колониеобразующих
клетках костного мозга, кишечника и кожи) и у животных разных
видов (мышей, крыс, хомяков, баранов).
13.4. Степень восстановления некоторых
функций организма
При изложении представлений Г. Блэра указывалось, что в
предложенную им формулу, описывающую пострадиационное
восстановление, включена необратимая компонента поражения,
которая в последующих исследованиях не была обнаружена. Более
того, у животных даже зарегистрировано кратковременное повы-
шение радиорезистентности, наблюдающееся, как только что
было показано, в раннем пострадиационном периоде. Однако ни
этот тест, ни этот срок, являясь общепринятыми и оправданными
для оценки летальности при остром лучевом синдроме, не могут
служить показателями функциональной полноценности различ-
ных систем организма, в том числе и системы кроветворения. Это
легко продемонстрировать на примере анализа скорости роста
клеточной популяции костного мозга животных в зависимости от
суммарной дозы однократного и фракционированного облучения.
Время после первого облучения, сут
Рис. 13.9. Кинетика восстановления миелокариоцитов мышей при однократ-
ном (7 —5) и фракционированном [4 и 5) общем облучении:
7 — 2,7 Гр, 2—4 Гр, 3—1 Гр, 4—3 Гр х 4 раза с интервалом 2 сут, 5— 4 Гр х 4
раза с интервалом 5 сут; заштрихованная часть — область нормы
223
Как видно изданных рис. 13.9, после однократного облучения
в сублетальных дозах (2,7 и 4 Гр) отмечается наибольший темп вос-
становления со средней скоростью 3 • 106 клеток/сут. При мини-
мальной абсолютно летальной дозе (7 Гр) в первые трое суток ско-
рость регенерации та же, а затем снижается более чем в два раза (до
1,55 • 106 клеток/сут), в связи с чем исходный уровень достигается
значительно позднее. После фракционированного облучения ско-
рость восстановления еще более снижена. При облучении в тече-
ние 6 сут в суммарной дозе 12 Гр восстанавливается по 0,7 • 106 кле-
ток/сут, а при двухнедельном пребывании костного мозга в со-
стоянии аплазии (4 раза по 4 Гр через 5 сут) и суммарной дозе 16 Гр
после кратковременного (в течение 2 сут) периода активного вос-
становления (2,4 • 106 клеток/сут) его скорость падает до мини-
мального значения (0,37 • 106 клеток/сут).
Отсюда следует, что на темпе восстановления клеток костного
мозга неблагоприятно сказываются увеличение суммарной дозы
излучения и продолжительности фракционирования, в этом слу-
чае нарушение функции проявляется уже в первые недели после
облучения. Аналогичные выводы были сделаны на основании экс-
периментов М. Вуддса (1967), наблюдавшего 5-кратное снижение
пролиферативной активности колониеобразующих единиц кост-
ного мозга и включения радиоактивного железа при фракциони-
рованном ежедневном облучении, причем активность гемопоэза
снижалась после каждой фракции. Об уменьшении темпов регене-
рации, вызванном изменением функционального состояния кост-
ного мозга в результате предварительного облучения, свидетельст-
вуют также данные работ, оценивающих кроветворение у живот-
ных различных видов и человека в отдаленные сроки после облу-
чения [Акоев И.Г., 1970].
В связи с оценкой полноценности восстановительных процес-
сов после облучения следует согласиться с тем, что начальные из-
менения, составляющие основу отдаленной лучевой патологии,
могут не иметь существенного значения в проявлениях и патогене-
зе острого лучевого синдрома [Александров С.Н., 1964, 1965]. К та-
ким нарушениям можно отнести нелетальные повреждения на-
следственного аппарата, а также различные эпигеномные наруше-
ния в клетках соматических тканей, характеризующихся низкой
физиологической регенерацией (печень, нервная ткань, мышцы,
кости и др.), в которых эти нарушения сохраняются и могут ска-
заться впоследствии на физиологической активности.
224
Нарушения функций различных систем, в том числе и крове-
творной, наблюдающиеся с увеличением дозы или в отдаленные
сроки после облучения, определяются не только непосредствен-
ными радиационными повреждениями клеток. Они могут быть
также следствием нарушений нейроэндокринной регуляции, как
одного из проявлений необратимой компоненты лучевого пора-
жения, определяющего снижение ряда адаптивных возможностей
организма. Например, по наблюдениям П.Д. Горизонтова (1964),
при облучении верхней половины туловища собак, в частности го-
ловы, темп репарации патологических сдвигов оказывался более
низким, а остаточная компонента лучевого поражения намного
выше, чем при эквивалентном облучении остальной части тела.
Это подтвердилось клинико-физиологическими данными в виде
следовых нарушений деятельности ЦНС, которые можно наблю-
дать даже спустя 18 меси позднее [Михаэльсон С., 1961]. Известны
данные о подавлении активности ферментов печени крыс после
облучения головы в дозах 10—100 Гр [Нир Дж., 1967].
Количественные аспекты восстановления в отдаленные сроки
после общего и локального облучения детально изложены в моно-
графиях Н.Г. Даренской и соавторов (1969) и И.Г. Акоева (1970).
Анализ этих данных позволяет прийти к заключению о том, что
восстановление самых разнообразных функций после облучения,
как правило, оказывается далеко не полноценным, причем сте-
пень неполноценности определяется прежде всего поглощенной
дозой.
13.5. Особенности повреждения и репарации
малообновляющихся тканей
В многолетних исследованиях Г.С. Стрелина с сотрудниками,
посвященных изучению способности облученных мало обнов-
ляющихся тканей к посттравматической регенерации, варьировал
интервал между облучением и нанесением механической травмы.
Объектами исследований служили костная ткань, сухожилия,
нервный ствол, соматическая мышечная ткань, кровеносные со-
суды, эпителий роговицы, печень и молочная железа. Как отмеча-
лось в предыдущей главе, их отнесение к «типичным радиорези-
стентным» тканям лишь условно. Лучевое повреждение в них воз-
никает и легко обнаруживается при возбуждении регенерационно-
го процесса дополнительной травмой, способность к излечению
которой оказывается резко подавленной в абсолютном большин-
225
стве случаев уже при дозах порядка 10 Гр. Из-за консервации луче-
вых повреждений они могут быть выявлены нанесением травмы и
через значительные сроки после облучения (6 мес и более).
В опытах с фракционированным облучением удалось обнару-
жить, что наряду с консерватизмом поражения во многих «ста-
бильных» тканях можно отметить и явные признаки репарации,
выраженной в отдельных тканях в разной степени, но значительно
менее активно, чем в пролиферирующих системах. Так, например,
в костной и мышечной тканях репарация практически отсутству-
ет, что приводит к кумуляции повреждений. В то же время фрак-
ционирование дозы при локальном облучении сухожилия приво-
дит к заметному ослаблению его посттравматической регенера-
ции, даже если хроническое облучение в суммарной дозе 30 Гр
продолжалось 6 мес. Более активно восстанавливается после облу-
чения (но также через длительные сроки, ~ 170 сут) способность к
репарации периферического нерва.
Различные результаты получены при оценке репаративных
возможностей облученных сосудов. Изучение развития коллате-
ралей после перерезки бедренной артерии в разные сроки после
облучения позволило сделать вывод о стойкой консервации луче-
вого поражения сосудов. Правда, при длительном фракциониро-
ванном облучении (2,5—6 мес) повреждение заметно ослабевало,
и образование коллатералей в облученном поле было ненамного
меньшим, чем в контроле. При использовании в качестве показа-
теля поражения эндотелия сосудов «индекса васкуляризации» в
условиях повторного облучения с интервалом в 24 ч выявился чет-
кий эффект восстановления (рис. 13.10). Не исключено, что эти
различия связаны не только с разными критериями, но и с величи-
нами доз и объемов облученных тканей.
Длительное время считали, что в печени не происходит репара-
ции клеточных повреждений после облучения. Основанием для
этого служили результаты экспериментов, в которых число клеток
с хромосомными аберрациями, учитываемых при посттравмати-
ческой регенерации, не снижалось, даже если между облучением и
удалением доли печени (стимулирующем регенерацию) проходи-
ло несколько месяцев [Альберт М., 1958]. Не уменьшалось число
аберрантных митозов и при двукратном облучении в дозах 2,5 Гр с
интервалом в 7 сут по сравнению с однократным облучением в
дозе 5 Гр. Однако в последующем при хроническом [Куртис X. и
др., 1964; Палыга Г.Ф. и др., 1964; Ноуэлл П., 1965] и фракциони-
226
Рис. 13.10. Кривые выживания эндотелия капилляров, полученные
при микрофлуорометрии после внутривенного введения красителя
(по Г. Рейнгольду, Г. Вайсману, 1973):
/ — однократное облучение (£>„«1,7 Гр, я = 7, Д® 3,4 Гр); 2—повторное облучение
рованном [Ольшевская О.П. и др., 1968] облучении в относитель-
но малых дозах (0,007—0,1 Гр/сут) было обнаружено снижение
числа хромосомных аберраций вследствие репарации хромосом.
На рис. 13.11 приведены результаты экспериментов на крысах,
подвергнутых хроническому у-облучению в суммарной дозе 1,5 Гр
при разной мощности дозы от - 0,0083 до 0,1 Гр/сут; соответствен-
но продолжительность облучения варьировала от 180 до 15 сут.
При этом выход хромосомных аберраций в клетках регенерирую-
щей печени значительно снижался с уменьшением мощности
дозы, и при наименьшей интенсивности облучения число абер-
рантных клеток не превышало их числа в контроле (у животных
того же возраста). Анализ этого явления с учетом возможной эли-
минации поврежденных клеток в процессе естественного самооб-
новления печени позволил сделать вывод о возможности репара-
ции поврежденных хромосом.
Значительное ослабление цитогенетического эффекта в клет-
ках печени наблюдалось и при фракционированном облучении.
227
Продолжительность облучения, сут
Рис. 13.11. Зависимость числа кле-
ток печени крыс с индуцированны-
ми облучением хромосомными
аберрациями (7) от продолжитель-
ности у-облучения в суммарной
дозе 1,5 Гр по сравнению с кон-
трольными животными (2) соответ-
ствующего возраста:
количество клеток с индуцированными
облучением аберрациями (Л) вычислено
по формуле: А = (Л/о-А/к)/ (100-Л7к)-100,
где Мо — число аберрантных клеток у
облученных животных; Л/к — то же, у
контрольных крыс соответствующего
возраста
Мощность дозы излучения, Гр/мин
Рис. 13.12. Зависимость цитогенетического эффекта в клетках печени крыс
от мощности дозы излучения
Как выяснилось, 10—100-кратное фракционирование дозы 0,1; 1
или 3 Гр приводило к значительному ослаблению повреждающего
эффекта. При этом ни изменение разовой дозы (0,007—0,3 Гр), ни
увеличение интервала между дозами (1 — 10 сут) не влияло на сте-
пень ослабляющего эффекта фракционирования.
Сопоставление результатов опытов с хроническим и фракцио-
нированным облучением (табл. 13.2) позволяет сделать вывод о
том, что коэффициент снижения эффекта при различных режимах
фракционирования изменяется в основном от 0,33 до 0,49. При-
мерно такая же степень ослабления эффекта наблюдалась и при
хроническом облучении, когда мощность дозы составляла
1,7 • 10 5 и 3,5 • 10-5 Гр/мин. Однако, как уже упоминалось, после-
дующее снижение мощности дозы ослабляет повреждающий эф-
фект радиации вплоть до полного исчезновения: при мощности
228
дозы 0,58 • 10 3 Гр/мин коэффициент снижения эффекта равен 1
(рис. 13.12).
Таблица 13.2. Хромосомные аберрации в клетках регенерирующей печени
крыс при однократном, фракционированном и хроническом облучении
(по Палыге Г.Ф. и др., 1966; Ольшевской О.П. и др., 1968)
Сум- марная доза, Гр Режим облу- чения Суточная доза, Гр Мощность дозы, Гр/мин Число фракций Интервал между от- дельными фракциями, сут Коэффици- ент сниже- ния эффек- та, a—b' /а
1,5 Однократ- ное 1,5 0,26 — — 0
1,5 Хрониче- ское 0,1 5 • 10’2 3,3 • 10"2 2,5 • Ю’2 1,7 1СГ2 8,3 10'2 7 • 1(Г5 3,5 • 10~5 2,3 10’5 1,7 • 10“5 1,15 10'5 0,58 • 10‘5 — — 0,37 0,39 0,52 0,64 0,73 1
0,7 Однократ- ное 0,7 1,8 • 10‘2 — — 0
0,7 Фракцио- нированное 7 • 10’2 3,5 10~2 7 • 10' 1,8 10' 1,8 10“2 1,8 • 10“2 100 20 10 1 1; 5 1; 10 0,42 ± 0,01
1 Однократ- ное 1 1,8 10~2 — — 0
1 Фракцио- нированное 0,1 1,8 • 1(Г2 10 10 0,33 ±0,05
3 Однократ- ное 3 0,39 — — 0
3 Фракцио- нированное 0,1 0,25 0,3 0,1 о,з 0,18 0,39 0,39 0,18 0,39 30 12 10 30 10 1 1 1 1 с 1 с 0,49 ± 0,04 0 0 0
'а — число клеток с хромосомными аберрациями при однократном облучении; Ь — то же, при фракционированном или хроническом облучении.
Эти факты можно рассматривать как подтверждение сущест-
вования репарации первичных нарушений, ведущих к хромосом-
ным перестройкам в клетках печени. Суточный интервал между
двумя дозами фракционированного облучения достаточен для ре-
парации всех обратимых повреждений: увеличение интервала до
229
Время после гепатэктомии, сут
Рис. 13.13. Динамика регенерации пече-
ни крыс (данные в процентах от исход-
ной массы печени) после фракциониро-
ванного локального облучения в суммар-
ной дозе 33 Гр (3, 4) по сравнению с
необлученным контролем
(7, 2) (по Н.Л. Шмаковой, 1979):
1, 3 — сырая масса печени; 2, 4 — сухая масса
печени; 10—15 животных на точку
10 сут не приводит к даль-
нейшему снижению числа
аберрантных митозов.
Рассматриваемые резуль-
таты и выводы из приведен-
ных экспериментов с хрони-
ческим и фракционирован-
ным облучением отнюдь не
противоречат данным о кон-
сервации хромосомных по-
вреждений, полученным в
условиях, когда между облу-
чением печени и первым ми-
тозом проходило более су-
ток: возможно, что за это
время репарация уже завер-
шается и регистрируются
только необратимые повре-
ждения хромосом.
О реальности феномена восстановления хромосом в клетках
печени свидетельствует и отсутствие различий между однократ-
ным и фракционированным воздействием при облучении нейтро-
нами [Куртис X., 1964], вызывающими, как известно, нерепари-
руемые повреждения.
Во всех работах с фракционированным и хроническим воздей-
ствием авторы исследовали восстановление при облучении покоя-
щихся клеток печени, находящихся на стадии GQ. Позднее были
опубликованы данные Е. Коггла (1966) о пострадиационном вос-
становлении клеток печени на стадиях 5и 6\, причем более интен-
сивном, чем на стадии Go.
На рис. 13.13 приведены результаты экспериментов, выпол-
ненных в нашей лаборатории с целью изучения темпа регенерации
печени после частичной гепатэктомии у интактных крыс и влия-
ния на этот процесс облучения. В первой серии опытов область пе-
чени подвергали фракционированному локальному рентгенов-
скому облучению в суммарной дозе 33 Гр (по 5,6 Гр один раз в не-
делю в течение 6 нед). Установлено, что восстановление массы пе-
чени в контроле заканчивается к 5-м сут после операции, тогда как
230
Доза излучения, Гр
Рис. 13.14. Зависимость степени
радиационного подавления регене-
рации печени крыс от дозы излу-
чения:
1 — сырая масса; 2 — сухая масса
к этому сроку в опыте восстанав-
ливается лишь 60% исходной мас-
сы. Во второй серии опытов была
изучена зависимость степени ра-
диационного подавления регене-
рации печени от дозы излучения.
Для этого четыре группы крыс
были подвергнуты локальному
рентгеновскому облучению об-
ласти печени в суммарных дозах
15,7; 19,6; 23,6 и 31,4 Гр соответст-
венно по 3,14; 3,92; 4,72 и 6,28 Гр
один раз в неделю в течение 5 нед.
Темп регенерации при различных
дозах определяли по массе реге-
нерата на 4-е сут после операции.
Установлено, что степень радиа-
ционного подавления скорости
посттравматической регенерации
печени увеличивается с дозой излучения, и в исследованном ин-
тервале доз эта зависимость приближается к линейной (рис. 13.14).
Приведенные данные еще раз демонстрируют, что распределе-
ние тканей на радиочувствительные и радиоустойчивые весьма ус-
ловно и во многом определяется избранным критерием. В частно-
сти, при использовании такого показателя, как интенсивность ре-
генерации, печень может быть отнесена к достаточно радиочувст-
вительным органам, хотя морфологические изменения в ней
выявляются только при крайне высоких дозах излучения.
В то же время в печени можно наблюдать и явление репарации
на клеточном уровне. Так, по данным И.В. Шиффер, при одно-
кратном облучении области печени крыс в дозе 10 Гр темп ее реге-
нерации также был сильно подавлен, однако после хронического
общего облучения животных в течение 30 сут при той же суммар-
ной дозе 10 Гр скорость регенерации не отличалась от наблюдае-
мой в контроле.
В приведенных примерах на ряде мало обновляющихся ткане-
вых систем продемонстрировано, что скрытое лучевое повреждение,
длительное время сохраняемое в ткани, проявляется в подавлении
231
посттравматической регенерации, вызываемой не только сразу по-
сле облучения, но и через много месяцев после него.
С подавлением физиологической регенерации связана и спо-
собность тканей кумулировать эффект лучевого повреждения при
длительном фракционированном облучении или при непрерыв-
ном облучении с малой мощностью дозы. Для обновляющихся
систем суммация повреждения выражена гораздо в меньшей сте-
пени: при интенсивной физиологической регенерации повреж-
денные клетки успевают быстро элиминироваться и замещаться
новыми, не поврежденными.
Важно обратить внимание на то, что консервация лучевых по-
вреждений в слабо обновляющихся тканях не абсолютна. Некото-
рое ослабление эффекта облучения отмечали при длительных сро-
ках между облучением и стимулированием регенерации механиче-
ской травмой, особенно при умеренных дозах. Более отчетливо яв-
ления репарации обнаруживались в неполной суммации повреж-
дающего действия при фракционированном облучении и при дли-
тельном облучении при малой мощности дозы. Эти результаты на-
блюдали в опытах на сухожилии, при резекции периферического
нерва, образовании коллатеральных сосудов и особенно в опытах
на регенерирующей печени.
Учитывая, что в исследованные сроки в указанных тканевых
системах практически невозможно полное обновление клеток, ко-
торое могло бы объяснить восстановление регенерационной спо-
собности тканей замещением поврежденных клеток, наблюдав-
шиеся явления восстановления следует отнести частично к репа-
рации лучевого повреждения на клеточном уровне.
Восстановление после лучевого поражения путем элиминации
поврежденных клеток и репарации на клеточном уровне в боль-
шинстве случаев протекает одновременно и потому значение каж-
дого из этих способов восстановления в отдельности учесть труд-
но.
Однако восстановление на клеточном уровне все же возможно
изучать изолированно, но в ограниченный период времени, по-
зволяющий гарантировать отсутствие роли элиминации клеток
или их замещения. Очевидно, в интенсивно пролиферирующих
тканях этот срок краток, в стабильных системах он неопределенно
длителен, в слабо обновляющихся он относительно невелик.
232
РЕЗЮМЕ
• В организме млекопитающих после облучения, наряду с
деструктивными процессами, происходит и восстановление, осу-
ществляемое на разных уровнях организации.
• Одним из видов восстановления является пролиферация
тканей критических органов за счет сохранивших жизнеспособ-
ность стволовых клеток костного мозга и кишечника. Наряду с
пролиферацией происходит и репарация на клеточном уровне.
• Восстановительные процессы в организме протекают в раз-
ных тканях с различной скоростью, что определяется присущим
тем или иным органам и тканям уровнем физиологической про-
лиферации.
• Наибольшая скорость восстановления наблюдается в ак-
тивно пролиферирующих тканях. Репарация мало обновляющих-
ся тканей протекает значительно медленнее.
• Радиационные повреждения, возникающие в клетках мало
обновляющихся тканей, длительное время сохраняются (консер-
вируются) и легко выявляются при искусственном стимулирова-
нии клеточного деления, в частности, в процессе посттравматиче-
ской регенерации.
• Реализация всех типов восстановительных процессов в
организме облегчается при фракционированном облучении и
при уменьшении мощности дозы, однако во всех случаях восста-
новление не может быть абсолютным, некоторая доля поврежде-
ний может оставаться необратимой и участвовать в формирова-
нии отдаленных последствий.
ИГЛ ABA
ЛУЧЕВАЯ БОЛЕЗНЬ ЧЕЛОВЕКА
Острая лучевая болезнь при однократном общем внешнем
облучении — характерная картина лучевого поражения ор-
ганизма
Лучевые поражения при неравномерном облучении
Хроническая лучевая болезнь
Классификация лучевой болезни
Отдельные клинические и лабораторные показатели лучево-
го поражения организма и их прогностическое значение
Терапия острой лучевой болезни
Замещение утраты в критических системах клеточного об-
новления — основная задача патогенетической терапии
Функциональная и симптоматическая терапия острой луче-
вой болезни
Под лучевой болезнью человека понимают определенный ком-
плекс проявлений поражающего действия ионизирующих излуче-
ний на организм. Многообразие этих проявлений зависит от сле-
дующих факторов: вид облучения — общее или местное, внешнее
или от инкорпорированных радиоактивных веществ (см. гл. 15);
временной фактор — однократное, повторное, пролонгирован-
ное, хроническое облучение; пространственный фактор — равно-
мерное или неравномерное облучение; объем и локализация облу-
ченного сегмента тела и поверхности кожи.
До 6 августа 1945 г., когда впервые было использовано атомное
оружие, по существу не было достоверных сведений о клиниче-
ской картине острой лучевой болезни человека, вызванной крат-
ковременным общим воздействием ионизирующей радиации. В
дальнейшем источниками информации стали такие события, как
последствия различных аварий (подробно описаны десятки таких
наблюдений), а также последствия, возникшие в результате при-
менения общего облучения в лечебных целях, в частности, при те-
рапии лейкозов.
234
В ставшей классической монографии А.К. Гуськовой и Г.Д. Бай-
соголова «Острая лучевая болезнь человека» (1971)1 авторы приводят
описание основных форм лучевого поражения человека и их пато-
генетическую классификацию, иллюстрируя изложение типич-
ными историями болезни пострадавших (более поздние обзоры
см. сноски 2—5).
С учетом материалов 11 -й гл. ниже будет рассмотрен типичный
вариант лучевого поражения организма — острая лучевая болезнь
(ОЛБ), возникшая в результате однократного тотального внешне-
го относительно равномерного облучения, а также коротко пред-
ставлены другие формы лучевого поражения.
14.1. Острая лучевая болезнь при относительно
равномерном облучении
Характерная черта ОЛБ — волнообразность клинического те-
чения, в чем можно усмотреть своеобразную последовательность
проявления поражения отдельных систем организма.
В течении ОЛБ различают три периода: период формирования,
период восстановления и период исходов и последствий.
В настоящей главе будет проанализирован только первый пе-
риод, а два других будут рассмотрены в последующих главах.
Период формирования ОЛБ можно четко разделить на четыре
фазы: 1) общей первичной реакции; 2) кажущегося клинического бла-
гополучия (скрытая, или латентная, фаза); 3) выраженных клини-
ческих проявлений (фаза разгара болезни); 4) раннего восстановле-
ния. 1 2
1 Монография переведена на английский и издана в США — Radiation Sickness
in Man. USA. Washington, 1973. Technic. Informat. Center. P. 740.
2 Обзоры клинических наблюдений, включая пострадавших при аварии на
Чернобыльской АЭС, представлены в следующих публикациях: Барабанова А.В.
и др. Acute Radiation Effects in Man. ЦНИИ Атоминформ, OH-3, ГКАЭ и НК.РЗ М3
СССР, 1986.
Гуськова А. К. и др. Острые эффекты облучения у пострадавших при аварии на
ЧАЭС//Мед. Радиология. 1987. № 12. С. 3—18.
’Радиационная медицина. Т.2 (Руководство для врачей-исследователей и ор-
ганизаторов здравоохранения). — М.: ИздАТ, 2001. —417 с.
* Guskova. А.К., Gusev J. Chapt. XII in book: Medical Management of Radiation
Accident, p. 195—210. CRC Press. 2000. Boca Raton USA.
’Доклады НКДАР при ООН «Источники и эффекты ионизирующего излуче-
ния», 1988 и 2000 гг.
235
Различают ОЛБ и по степени тяжести, определяемой в основ-
ном поглощенной дозой излучения.
Развернутый симптомокомплекс ОЛБ человека возникает при
облучении в сроки от секунд до 3 суток в дозах, превышающих 1 Гр1.
При меньших дозах отмечают преходящие реакции со стороны от-
дельных систем различной степени выраженности или клинические
проявления вообще отсутствуют.
В диапазоне доз 1 —6 Гр различают три степени тяжести ОЛБ:
ОЛБ I(легкой) степени (1—2 Гр); ОЛБ II(средней) степени (2—4 Гр);
ОЛБ III (тяжелой) степени (4—6 Гр).
При дозах выше 6 Гр ОЛБ оценивают как крайне тяжелую, IV
степени, выделяя переходную, кишечную, церебральную и токсемиче-
скую формы. Две последние формы ОЛБ развиваются при дозах в не-
сколько десятков Гр, причем гибель наступает в течение двух суток
от тяжелейшего капилляротоксикоза, приводящего, в частности, к
несовместимому с жизнью острому повышению внутричерепного
давления.
Вероятность развития острой лучевой болезни той или иной
степени тяжести четко связана не только с величиной, но и с мощ-
ностью дозы, уменьшаясь по мере пролонгирования облучения во
времени.
При дозах 6— 10 Гр развивается переходная форма болезни, про-
текающая с тяжелым костномозговым синдромом и выраженным
поражением кишечника, адекватное лечение может в редких слу-
чаях обеспечить выживание. При дозах 10—20 Гр возникает типич-
ная форма кишечного поражения, заканчивающаяся смертельным
исходом через 8—16 сут. При дозах 20—80 Гр развивается токсеми-
ческое поражение с клиническими проявлениями в виде сосуди-
стых расстройств и метаболических нарушений, смерть наступает
на 4—7-е сут, поражение нервной системы носит вторичный ха-
рактер. Наконец, при дозах выше 80 Гр возникает церебральная фор-
ма поражения (коллапс, судороги и др. неврологические расстрой-
ства), завершающаяся смертью в первые часы — три дня.
Критической системой, степень поражения которой определя-
ет тяжесть и исход ОЛБ при дозах до 10 Гр, является система крове-
творения и,в первую очередь^костный мозг. Рассмотрим эту наибо-
1 Здесь и далее имеется в виду воздействие у-излучения. При облучении други-
ми видами радиации учитываются их качество, ОБЭ и другие параметры.
236
лее типичную форму ОЛБ, при которой четко проявляются основ-
ные патогенетические закономерности периода формирования и
его отдельных фаз.
14.1.1. ФАЗА ПЕРВИЧНОЙ ОБЩЕЙ РЕАКЦИИ
Первичная реакция организма человека возникает в зависимо-
сти от дозы в первые минуты — часы и проявляется во всех случаях
при дозах облучения, превышающих 2 Гр. Появляются тошнота,
рвота, усиливающиеся после приема жидкости, исчезает аппетит.
Иногда ощущается сухость и горечь во рту. Пострадавшие испы-
тывают чувство тяжести в голове, головную боль, общую слабость,
иногда сонливость. Продолжительность фазы 1—3 дня.
Наибольшее диагностическое, а в некоторых случаях и прогно-
стическое значение имеет время появления тошноты и рвоты, а
также наличие и продолжительность диспептического синдрома,
увеличение и отечность слюнных желез, гиперемия кожи. У лиц,
наиболее тяжело пострадавших, первичная реакция возникает че-
рез 0,5—3 ч и продолжается в течение 3—4 дней.
Неблагоприятными в прогностическом отношении признака-
ми первичной реакции, предопределяющими очень тяжелое тече-
ние болезни (а следовательно, свидетельствующими о суммарной
дозе излучения > 10 Гр), являются: развитие шокоподобного со-
стояния с падением артериального давления, кратковременная
потеря сознания, субфебрильная температура, понос.
На участках кожи, подвергшихся облучению в дозах 6—10 Гр,
возникает преходящая гиперемия, иногда с отеком. Выявляются
признаки легких рефлекторных нарушений (асимметрия сухо-
жильных рефлексов), усиление дермографизма, лабильность кож-
ных вазомоторных реакций. Как показали экспериментальные ис-
следования Ю.Г. Григорьева, изменения электроэнцефалограммы
имеют рефлекторную природу, так как возникают независимо от
того, облучается голова или конечности. В периферической крови
в первые сутки после облучения наблюдается нейтрофильный
лейкоцитоз со сдвигом влево, а также абсолютная и относительная
лимфопения.
В пунктате костного мозга удается обнаружить четкие измене-
ния, более заметные на 2-3-и сут: уменьшение общего числа миело-
кариоцитов, снижение митотического индекса и исчезновение моло-
дых генераций клеток. При цитологическом исследовании костного
мозга человека, так же как и у животных, дегенеративные измене-
ния могут быть обнаружены уже в первые часы после облучения. Ха-
237
рактерно появление аберраций в лимфоцитах костного мозга и пери-
ферической крови.
Из биохимических изменений можно отметить при дозах > 4 Гр
повышение в крови уровня сахара и билирубина и снижение со-
держания хлоридов крови, а также аминоацидурию (вследствие
повышенного распада белка разрушающихся клеток) и гиперами-
лаземию в результате поражения слюнных желез.
Клинические проявления первой фазы ОЛБ являются не только
следствием прямого повреждения радиочувствительных систем
(лимфопения, задержка клеточного деления, уменьшение числа или
исчезновение молодых форм кроветворных клеток, а возможно, и
аминоацидурия), но свидетельствуют и о наличии преходящих, вто-
ричных ранних сдвигов в нервно-регуляторных и гуморальных взаимо-
отношениях.
Лишь в крайне тяжелых случаях возникают кратковременные
нарушения сознания, неспособность удержать позу. Первичная
реакция наблюдается у некоторых видов животных. Наиболее ти-
пичны ее проявления у собак. Кролики погибают «под лучом» при
дозах 12—15 Гр. Первичная реакция на облучение у мышей и крыс
внешне менее выражена, возможно, в связи с отсутствием у них
рвотного центра.
14.1.2. ФАЗА КАЖУЩЕГОСЯ КЛИНИЧЕСКОГО БЛАГОПОЛУЧИЯ
Через 2—4 дня симптомы первичной реакции исчезают, и са-
мочувствие больных улучшается или даже нормализуется. Болезнь
вступает во вторую фазу, называемую скрытой или латентной ста-
дией ОЛБ, из-за отсутствия клинически видимых признаков бо-
лезни.
Продолжительность латентной фазы зависит от тяжести пора-
жения (дозы излучения) и составляет у человека 30 сут. При очень
тяжелых формах поражения (при дозах 10 Гр) она вообще отсутст-
вует.
Из клинических признаков уже во время скрытой фазы отме-
чают выпадение волос (если доза превышает эпиляционную), нев-
рологическая симптоматика постепенно сглаживается.
Благополучие является лишь клиническим понятием. При иссле-
довании крови в это время обнаруживается уже в ранние сроки лим-
фопения, в конце скрытой фазы тромбоцитопения, а также сниже-
ние числа нейтрофилов и ретикулоцитов.
В костном мозге аплазия ярко выражена уже в первые дни, на
2—3-й неделе при цитопении появляются первые признаки реге-
238
нерации в костном мозге. В этот же период отмечается и подавле-
ние ранних стадий сперматогенеза, может наблюдаться выпадение
цикла месячных.
14.1.3. ФАЗА ВЫРАЖЕННЫХ КЛИНИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЙ
Спустя 1—4 нед после облучения самочувствие больных вновь
ухудшается, нарастает слабость, повышается температура, увели-
чивается скорость оседания эритроцитов (СОЭ). Латентная фаза
заболевания сменяется фазой разгара болезни. Наиболее типичны
для нее инфекционные осложнения, протекающие на фоне для-
щегося более двух недель агранулоцитоза. Вместе с возможными
проявлениями кровоточивости они представляют основную угро-
зу для жизни больных в этот период.
Морфологический состав крови в фазе разгара преимущест-
венно состоит из лимфоцитов, все остальные элементы белой кро-
ви представлены единичными клетками или исчезают совсем. Это
приводит к относительному лимфоцитозу при абсолютной лимфопе-
нии. К концу фазы (а при больших дозах и выраженном геморраги-
ческом синдроме — раньше) выявляется и начинает прогрессиро-
вать анемия. При крайне тяжелых поражениях наблюдается ле-
тальный исход при глубокой аплазии кроветворной ткани. В ос-
тальных случаях в это время в костном мозге и лимфатических
узлах, наряду с продолжающейся деструкцией, уже отчетливо вы-
ражены признаки регенерации.
В период разгара наблюдается также гипопротеинемия и гипо-
альбуминемия, повышенное содержание основного азота и сни-
жение количества хлоридов. Отражением нарушения обмена ве-
ществ и диспептических расстройств (потери аппетита и поносов)
является резкое снижение массы тела. У больных, получавших ле-
чение, третья фаза заболевания продолжается от одной до трех не-
дель, а затем в случаях с благоприятным исходом переходит в чет-
вертую фазу — восстановление.
14.1.4. ФАЗА РАННЕГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Начало фазы восстановления характеризуется нормализацией
температуры, улучшением самочувствия, появлением аппетита,
восстановлением сна. Исчезает кровоточивость, ослабевают дис-
пептические явления, восстанавливается масса тела. Происходит
постепенная нормализация показателей крови, которая у выжи-
вающих больных начинается еще в разгаре заболевания как след-
239
СОЭ, мм/ч Число клеток и-103 Число клеток п-103 Число клеток л 103
Лейкоциты
11
10
16000
Лимфоциты
Дни Месяцы Годы
Число клеток п 104 Число клеток п-106 Число клеток п-104
Тромбоциты
10 20 30 40 50 60 70 3 4 5 6 12
Дни
Месяцы
5 10
Годы
ствие регенерации костного мозга. Уже тогда в периферической
крови появляются ранние формы клеток — ретикулоциты и моло-
дые лейкоциты, вплоть до миелобластов, и регенераторные формы
тромбоцитов. Однако анемия сохраняется и достигает максимума
к 5—6-й нед, затем число эритроцитов начинает увеличиваться и
через 2—3 мес приходит к исходному или пограничному уровню.
Нормализация морфологического состава крови является от-
ражением бурных регенеративных процессов в системе кроветво-
рения, в чем можно убедиться при исследовании костного мозга и
динамическом анализе миелограмм. Нормализуются в этот пери-
од и биохимические показатели крови и мочи.
Продолжительность фазы восстановления 2—2,5 мес. К концу
3-го мес от начала заболевания обычно самочувствие становится
удовлетворительным, хотя отдельные проявления еще имеют
место: рост волос возобновляется только к 4-му мес, сперматоге-
нез восстанавливается лишь через 4—6 мес.
Фаза раннего восстановления характеризуется завершением ос-
новных процессов непосредственного восстановления.
В качестве примера А.К. Гуськова и Г.Д. Байсоголов приводят
сведения о закончившейся благоприятным исходом ОЛБ третьей
степени тяжести у больной 3. Не зная о наличии в соседнем поме-
щении мощного у-нейтронного источника, 3. в течение 30 мин на-
ходилась от него на расстоянии ~ 6,5 м. В результате она подвер-
глась общему неравномерному у-n облучению в дозе 980 бэр, пере-
несла типичную ОЛБ третьей степени с довольно полным клини-
ческим восстановлением и выписана из стационара на 68-е сут.
Наблюдение за пострадавшей 3. было продолжено на протяжении
40 лет. Больная впоследствии приобрела специальность мед. лабо-
ранта. Вышла замуж. Имеет здорового сына и внучку. Происходи-
ло медленное созревание катаракты, которая успешно проопери-
рована на 38-м году наблюдения.
Рис. 14.1 иллюстрирует динамику показателей крови больной
3. за весь период наблюдения: хорошо видны типичные изменения
морфологического состава крови в острый период болезни: на-
чальный нейтрофильный лейкоцитоз, абортивный подъем числа
нейтрофильных лейкоцитов через две недели, ранняя и длитель-
ная лимфопения, типичная кинетика тромбоцитов, красного ро-
стка и СОЭ.
Рис. 14.1. Динамика показателей крови больной 3. в первые 10 лет наблю-
дения
241
Рис. 14.2. Продолжительность
латентной фазы в зависимости
от дозы равномерного (7) и не-
равномерного (2) общего облу-
чения человека (по А.К. Гусь-
ковой, Г.Д. Байсоголову, 1971)
Общая продолжительность периода формирования ОЛБ и его
отдельных фаз определяются лишь частично индивидуальной ра-
диочувствительностью пострадавшего, а в основном — дозой. Эту
зависимость на примере латентного периода иллюстрирует
рис. 14.2: с увеличением дозы от 1 до 10 Гр скрытый период укора-
чивается с 30 до 2—3 сут и практически исчезает при дозах > 10 Гр.
В 1981 г. А.Е. Барановым с соавторами был описан типичный
случай острой лучевой болезни, развившейся после общего равно-
мерного у-облучения (60Со) в дозе ~ 3 Гр. Клиническая картина,
как и в только что рассмотренном случае, формировалась в основ-
ном за счет острой недостаточности костного мозга, сопровож-
дающейся инфекционными осложнениями, а также поражением
слизистой оболочки рта и глотки в разгаре болезни. Раннее приме-
нение средств и методов профилактики и лечения эндогенной ин-
фекции способствовало стойкому выздоровлению пострадавшего.
Знакомство с проявлениями типичной формы острой лучевой
болезни человека убеждает, что хотя симптоматика заболевания
сложна (это обусловлено вовлечением в процесс всех систем орга-
низма), наиболее страдающей является система кроветворения.
Механизмы ее поражения, рассмотренные в гл. 11 на эксперимен-
тальных моделях, применимы и для человека; различия во време-
ни проявления отдельных нарушений объясняются свойственны-
ми человеку временными параметрами соответствующих компар-
тментов системы клеточного обновления костного мозга, которые
определяют характерную для него кинетику клеточных популяций
в системе кроветворения.
Ниже приведена схема относительной радиочувствительности
клеток крови (рис. 14.3), иллюстрирующая, с одной стороны, по-
следствия радиационного поражения системы клеточного обнов-
ления костного мозга (см. гл. 12), а с другой — хорошо объясняю-
щая типичную картину нарушения кроветворения, в частности его
проявления в периферической крови (см. рис. 14.1).
242
зобная железа
Лимфо-
цит
Родоначальница
всех кровяных
клеток
Красный
костный
мозг
ф 1 0)2 © 3 ^4
Рис. 14.3. Относительная радиочувствительность клеток крови и их предше-
ственников (по Д. Беренсу, Дж. Кронкайту, 1951):
/ — радиочувствительные клетки (исчезают быстро); 2 — относительно радиочувстви-
тельные клетки (исчезают медленнее); 3— относительно радиорезистентные клетки (мо-
гут заканчивать созревание); 4— радиорезистентные клетки (заметно не повреждаются)
У человека, так же как и у животных, наблюдающаяся в первые
сутки лимфопения объясняется быстрой апоптотической гибелью
лимфоцитов и их предшественников; одновременно погибают и
малодифференцированные клеточные предшественники других
кроветворных ростков (показано на гемограммах костного моз-
га) — все они отличаются наиболее высокой радиочувствительно-
стью (см. рис. 14.3). Меньше повреждаются относительно более
зрелые элементы, для которых характерна гибель в нескольких по-
колениях потомков облученной клетки (см. гл. 7). Глубина и стой-
кость таких повреждений усиливается с увеличением дозы излуче-
ния.
243
Массовая гибель молодых клеток в кроветворных органах, а
также временная задержка клеточного деления в начальные сроки
существенно не отражаются на морфологическом составе перифе-
рической крови (кроме лимфоцитов, погибающих вскоре после
воздействия). Действительно, как показано на рис. 14.1, в первые
4—5 сут число нейтрофилов, тромбоцитов и эритроцитов практи-
чески не снижается. В дальнейшем, в результате естественного вы-
мирания зрелых клеток крови, а также резкого снижения резерва
морфологический состав крови обедняется. Продолжительность
лейкопении, а в последующем и анемии^ависит от выраженности
поражения кроветворных органов.
Исход поражения организма, по существу, определяется балан-
сом между производством клеточной «продукции» и ее наличием в
зрелом функционирующем состоянии.
Понимание патогенетических механизмов поражения предо-
пределяет тактику лечения острой лучевой болезни, в частности,
соответствующие меры компенсации поражения кроветворения.
Следует помнить, однако, что, несмотря на принципиальное сход-
ство проявлений острого радиационного поражения у всех живот-
ных, острая лучевая болезнь человека имеет свои особенности. По-
пытки моделировать радиационный синдром человека на других
млекопитающих с целью более полного исследования и проверки
возможностей терапии показали, что с достаточной полнотой его
воспроизвести невозможно [ФлиднерТ., 1974]. Во-первых, дозы,
достаточные для развития костномозгового синдрома у человека
(2—3 Гр), не вызывают серьезных нарушений кроветворения у мы-
шей, кроликов и крыс. Сходный синдром у этих видов животных
развивается только после облучения соответственно в дозах 6, 7 и
8 Гр. Во-вторых, между человеком и животными наблюдаются
большие различия во времени проявления типичных симптомов.
У человека костномозговой синдром развивается на 4—5-й нед, а у
крыс, кроликов, мышей, обезьян, морских свинок, собак и сви-
ней — на 2—3-й нед после облучения. В-третьих, не совпадают и
клинические симптомы, возникающие у животных и человека в
период разгара болезни. У крыс, мышей, кроликов и морских сви-
нок при среднелетальных дозах гранулоцитопения отмечается
очень рано после облучения и находится уже на пути к восстанов-
лению в период, когда тромбоцитопения только достигает наи-
большей выраженности. Размеры тела человека приводят к тому,
что облучение не является однородным. В некоторых ситуациях
это накладывает отпечаток на клинические проявления, особенно
244
когда величина дозы для отдельных сегментов тела различается в
2,5—3 раза.
Таким образом, ни у одного животного не удается вызвать ра-
диационный синдром, в точности совпадающий с его проявлениями .у
человека. Поэтому при разработке лечебных мероприятий необхо-
димо руководствоваться реальной ситуацией, имеющей место в
клинике лучевой болезни человека.
14.2. Острые лучевые поражения
при неравномерном облучении
Рассмотренный вариант типичной ОЛБ при общем относи-
тельно равномерном внешнем облучении у человека встречается
довольно редко. Он воспроизводится в опытах на мелких лабора-
торных животных, а при создании специальных условий (мощный
источник, большое поле, многостороннее облучение) и на круп-
ных животных. У человека такого рода поражения встречались
лишь в результате взрывов атомных бомб и при некоторых редких
авариях. В большинстве таких случаев, а тем более при терапевти-
ческом облучении,возникают те или иные типы неравномерного
воздействия, определяемые радиационной ситуацией и, прежде
всего, облучаемым объемом и проникающей способностью излу-
чения.
Рассмотрим два крайних случая неравномерного облучения:
1) общее неравномерное облучение; 2) преимущественно местное (ло-
кальное) облучение. В первом из них неравномерность поглощен-
ной дозы создается в результате ослабления проникающего излу-
чения по глубине или частичной защитой сегментов тела, во вто-
ром — вследствие экранирования (случайного или специального)
основной массы тела или в результате локального радиационного
воздействия.
Между этими крайними примерами встречаются самые раз-
личные промежуточные варианты и их сочетания. Соответственно
следует ожидать и многообразия клинических форм возникающих
поражений.
Систематизация представлений об основных вариантах луче-
вых поражений организма, возникающих при неравномерном об-
лучении, весьма важна для разработки методов лучевого лечения
злокачественных новообразований, в частности, при крупнополь-
ном облучении, а также для прогностической оценки последствий
аварий, возникающих в производственных условиях или вследст-
245
вие возможного облучения космонавтов при солнечных вспыш-
ках.
Единственно правильным подходом к изучению разнообраз-
ных форм острых поражений при неравномерном облучении явля-
ется оправдавшая себя концепция критического органа, связываю-
щая рассматриваемый эффект с дозой излучения, поглощенной в
облучаемом объеме.
Напомним, что под критическими понимают ткань, орган или
систему, ответственные за исход заболевания при данной дозе излу-
чения или форме лучевого поражения.
Поэтому при достаточно больших дозах (> 10 Гр) критически-
ми могут оказаться не только органы кроветворения, как при об-
щем облучении, но и другие органы и системы организма. Напри-
мер, при внешнем воздействии слабо проникающими излучения-
ми (р-частицы, рентгеновское излучение низкой энергии) крити-
ческим органом оказывается кожа, площадь и степень поражения
которой определяют исход поражения. Значение поражения кожи
от p-излучения в исходе заболевания было продемонстрировано у
пострадавших в результате аварии на ЧАЭС, подвергшихся воз-
действию газовой фазы выброса из поврежденного реактора.
В литературе приводились примеры поражения человека при
резко неравномерном или преимущественно локальном облуче-
нии в различных, иногда очень больших дозах (30—50 Гр). При
этом критическими оказывались самые различные органы и тка-
ни: отдельные петли кишечника, мягкие ткани, нервная ткань
(нервный пучок сердца), сердце, легкое и др. Летальный исход в
таких случаях развивался от перитонита, сепсиса, тяжелого рас-
стройства гемодинамики и других причин, причем гибель наступа-
ла раньше, чем выявлялось поражение кроветворения, или неза-
висимо от него. Следовательно, чем тщательнее проанализирова-
на геометрия положения пострадавшего лица по отношению к ис-
точнику излучения (с учетом количественных и временных
характеристик проявления поражения в тех или иных органах и их
значения для исхода ожидаемого заболевания), тем правильнее
может быть предсказана форма этого поражения, точнее оценен
возможный прогноз и определена тактика терапии. Своеобразие
диагностических и прогностических критериев в связи с особен-
ностями пространственного распределения дозы продемонстри-
ровано в упоминавшемся обзоре [Барабанова А.В. и др., 1986]. Это
может быть проиллюстрировано и на приводимом ниже примере
наблюдения А. К. Гуськовой и Г.Д. Байсоголова (1971), когда не-
равномерность облучения касалась значительных сегментов тела.
246
Пострадавшая К. в течение менее 1 с подверглась крайне не-
равномерному у-нейтронному облучению в средней дозе 5,8 Гр
(у-лучи — 1,1 Гр + нейтроны — 4,7 Гр), среднетканевая доза для
левой половины тела достигала 10 Гр (в поверхностном (до 5 см),
слое — 16—20 Гр), для правой половины тела — 2,8 Гр.
Первичная реакция развилась в первые два часа после облуче-
ния: уже через 5—10 мин появилось чувство «распирания» во всем
теле, а затем — тошнота, частая рвота, слабость и онемение кожи
левой половины туловища. С конца первых и на протяжении 25
последующих суток держалась повышенная температура (38 °C),
одновременно проявилась и нарастала симптоматика поражения
кожи лица, слизистых полости рта, носа, а позднее желудочно-ки-
шечного тракта и кожи конечностей. С 10-х по 20-е сут. картина
поражения кожных покровов и слизистых была наиболее тяже-
лой — отмечались множественные пузыри, эрозии, точечные кро-
воизлияния, сильно болезненные воспаления век и эпиляция во-
лос, резкая потеря массы тела — 8 кг за 24 сут.
С 24-х сут температура снизилась до нормальной, самочувст-
вие стало быстро улучшаться, началась эпителизация эрозий в по-
лости рта и заживление кожных поражений, на 3-м мес возобно-
вился рост волос. Одновременно началось формирование индура-
тивного отека пораженных тканей всей левой половины тела.
Вскоре пострадавшая была выписана из стационара при наличии
неприятных ощущений (сухости) в полости рта, стягивающих бо-
лей в левой половине грудной клетки и левых конечностях, а также
чувства тяжести в левой половине головы. По мере исчезновения
отека, начала выявляться глубокая атрофия подкожной жировой
клетчатки и мышц в пораженных участках, причем в левой височ-
ной области рост волос на протяжении 10 лет не возобновлялся.
В периферической крови этой больной (рис. 14.4) уже через 4 ч
после облучения наблюдались нейтрофильный (93,5%) лейкоци-
тоз (14 900/мм3) и глубокая лимфопения (2,5 %). На 4-е сут количе-
ство лейкоцитов стало уменьшаться и к 17-м сут составляло
375 клеток/мм3. Несмотря на столь раннее и быстрое снижение,
число лейкоцитов в последующем не только не уменьшалось, а по-
степенно увеличивалось и к 20—27-м сут достигло исходного уров-
ня — 4000/мм3 (пострадавшая до заболевания имела лейкопе-
нию — 3800/мм3). Аналогичную динамику (крутое и раннее паде-
ние с последующим быстрым восстановлением) претерпели и дру-
гие показатели периферической крови.
Анализируя это наблюдение, авторы отмечают, что нетипич-
ное течение и исход ОЛ Б были обусловлены крайней неравномер-
247
Число клеток Число клеток Число клеток Число клеток л-103 Число клеток л-103
л • 104 л • 105 л • 103
Рис. 14.4. Динамика показателей крови больной К. (период наблюдения — 5 лет)
Продолжение рис. 14.4
ностью облучения, при котором раннее снижение всех формен-
ных элементов крови было обусловлено быстрым опустошением
облученных в дозах 10—20 Гр больших объемов костного мозга,
временно выключенных из системы кроветворения. Наряду с этим
наличие мало пострадавших участков кроветворения, подвергав-
шихся небольшому радиационному воздействию, способствовало
сначала поддержанию (стабилизации) числа форменных элемен-
тов на определенном, хотя и сниженном уровне, а затем, с третьей
недели, его быстрому восстановлению, так как к этому времени
началась регенерация и в более пораженных участках. Это было
подтверждено данными трепанобиопсии обоих крыльев таза.
Правильная клинико-радиобиологическая оценка описанной
формы лучевого поражения с учетом тканево-дозиметрической
геометрии позволила наметить и осуществить адекватную лечеб-
ную тактику. Основное внимание было сосредоточено на симпто-
матической терапии пораженных участков и предупреждении их
дополнительного инфицирования, а стойкое восстановление кро-
ветворения происходило спонтанно без применения специальных
средств, за счет сохранившегося собственного клеточного фонда.
Наблюдение за пациенткой было продолжено в течение 20 лет. Не-
посредственной причиной летального исхода (при сохранении
тяжелых односторонних лучевых поражений — лимфостаза, ин-
дуративного отека, эпиляции) был геморрагический инсульт.
Особенности радиационной обстановки, возникшей в резуль-
тате аварии на ЧАЭС, обусловили развитие своеобразной формы
ОЛБ, возникшей от сочетания общего относительно равномерно-
го у-облучения всего тела с 0-облучением обширных участков
кожного покрова и частично с ингаляционным поступлением сме-
си нуклидов (в основном радиоактивного йода и цезия); значи-
мость последнего (за исключением 2-х случаев) оказалась практи-
чески несущественной.
Детальный анализ возникающих поражений и их лечения при-
веден в публикациях, упомянутых в начале данной главы. Здесь бу-
249
Рис. 14.5. Кривые зависимости доза-эффект для числа лимфоцитов
периферической крови в разные дни (цифры у кривых) после облучения
(по А.К. Гуськовой и др., 1987):
D = а — b 1g у — аналитическое выражение; а, b — коэффициенты этой зависимости
дут лишь кратко рассмотрены представляющие познавательный
интерес типичные стороны этих поражений и их терапия.
Примерно из 600 человек, работавших на ЧАЭС в момент ава-
рии 26.04.86 г., у 237 чел. возникло предположение о возможности
массированного облучения и развития ОЛБ. Они были отобраны
специальной медицинской бригадой в сроки 12—36 ч. Из них 114
человек с предположением о наличии ОЛБ были направлены в
специализированный стационар Москвы, а остальные в Клев.
Ниже кратко изложен опубликованный А.К. Гуськовой с соав-
торами (см. сноски 2—4 на с.235) анализ наблюдений за 114 боль-
ными, находившимися в Московском стационаре со вторых суток
после поражения.
Основными критериями при первичной диагностике и опре-
делении очередности госпитализации были: срок возникновения
и интенсивность тошноты и рвоты, первичной эритемы кожи и
слизистых, а также число лимфоцитов периферической крови
ниже 1 • 109/л в 1-е сут после облучения. О высокой специфично-
250
сти приведенных показателей первичного скрининга на ОЛБ сви-
детельствует тот факт, что диагноз этот в последующем был под-
твержден у 134 больных, обследованных в стационаре. Главной ди-
агностической задачей в первые дни была оценка степени тяжести
костномозгового синдрома по дозе внешнего у-облучения. Оценка
дозы была проведена путем подсчета числа лимфоцитов перифе-
рической крови, числа аберраций хромосом в культуре этих клеток
или в препаратах костного мозга. На рис. 14.5 приведены кривые и
аналитические выражения зависимости числа лимфоцитов от
дозы излучения на каждые из первых 9 сут.
Подсчет лимфоцитов (и в меньшей мере, в наиболее тяжелых
случаях — числа клеток с аберрациями хромосом) позволил разде-
лить пострадавших на четыре группы по ожидаемой степени тяже-
сти костномозгового синдрома, определявшегося в основном до-
зой внешнего у-облучения: I степень (0,8—2,1 Гр) — 31 чел.,
II (2,0—4,0 Гр) — 3 чел., III (4,2 —6,3 Гр) — 21 чел. и IVстепень (от
6 до 16 Гр) — 20 чел. Кроме того, были выделены лица, доза облу-
чения которых оценивалась меньше 1 Гр, а развернутого синдрома
ОЛБ не отмечалось.
Особое внимание в первые дни уделяли выявлению лице пред-
положением о крайне тяжелой (необратимой) степени миелоде-
прессии, требовавшей неотложного решения о трансплантации
костного мозга (ТКМ). Принадлежность к этой группе определяли
наличием следующих признаков: рвота в первые полчаса, понос в
первые 1—2 ч и увеличение околоушных желез в течение 24—36 ч
после облучения, выраженность и стойкость лимфопении. Как
показал ретроспективный анализ, показания к ТКМ были расши-
рены. При этом недооценивался полиорганный характер пораже-
ния (в частности, — кожи). Это не дало возможности выявить эф-
фект ТКМ, а в ряде случаев существенно отягчило клиническое те-
чение.
Летальные исходы имели место при ОЛБ III (7 чел.) и IV
(19 чел.) степенях тяжести. Одна больная со II степенью тяжести
умерла на 96-е сут болезни от ишемического инсульта на фоне вос-
становившейся картины крови1. Один больной умер от комбини-
рованного терморадиационного поражения на 11 -й день в Киеве.
Результаты многочисленных биохимических и иммунологиче-
ских показателей оказались существенно менее информативными
1 По официальным сведениям, на июль 2002 г. от разных причин умерло 15 чел.
251
Рис. 14.6. Реальная кривая динамики числа нейтрофилов (7)
и прогнозируемая (стандартная) кривая (2) для общего у-облучения
в дозе 3 Гр (по А.К. Гуськовой и др., 1987)
в отношении собственно радиационного поражения, но были зна-
чимы для оценки его осложнений.
Чрезвычайно важной оказалась возможность клинического
уточнения дозы в первые дни после облучения на основании ана-
лиза динамики числа нейтрофилов и тромбоцитов с помощью
стандартных кривых1. В качестве примера на рис. 14.6 приведены
реальные кривые динамики нейтрофилов больного, доза облуче-
ния которого, оцененная по среднему числу лимфоцитов с 4 по
7-е сут, составила 2,4 Гр, а по числу клеток с аберрациями —
3,3 Гр, что практически совпадает с прогнозируемой стандартной
кривой для дозы 3 Гр.
Клинические проявления костномозгового синдрома определя-
лись в последующем глубиной и продолжительностью панцитопе-
нии — нейтрофилы (0,1—0,5) • 109/л, тромбоциты (1,0—2,0) • 101О/л.
Они в основном выражались в лихорадке, инфекционных ослож-
нениях, незначительных петехиальных кровоизлияниях на коже и
слизистой рта.
Отличительную черту поражения людей в данной аварийной
ситуации, как упоминалось, составили местные лучевые пораже-
1 Пяткин Е.К., Баранов А.Е. Итоги науки и техники.ВИНИТИ АН СССР. Сер.
Радиационная биология. 1980. № 3. С. 103—179.
252
ния (МЛП), вызванные воздействием p-излучения и явившиеся у
58 чел. частью общего клинического синдрома ОЛБ. В связи с этим
данная ситуация должна рассматриваться как вариант крайне не-
равномерного (по глубине) распределения поглощенной дозы, ко-
гда облучение кожи в 10—20 раз превышает дозу облучения кост-
ного мозга. Радиационные поражения кожи охватывали у разных
больных от 1 до 100% поверхности тела.
Больные, имевшие относительно ранние (с 5—6 сут) распро-
страненные местные лучевые p-поражения II—III степени, были
обречены. При этом развивался вначале токсемический синдром с
появлением вторичной эритемы кожи на ранее непораженных
участках, а затем почечно-печеночная недостаточность и энцефа-
лопатическая кома. При указанной клинической картине погибли
18 из 58 больных с лучевыми ожогами. У 8 поражению кожи сопут-
ствовал кишечный синдром, у 4 — пульмонит, а у двух имели
место комбинированные терморадиационные поражения кожи.
Одним из наиболее грозных проявлений ОЛБ был кишечный
синдром, который развился в период с 4 по 8-е сут, что свидетель-
ствовало об облучении в дозе не менее 10 Гр; все эти больные по-
гибли в первые три недели после облучения.
У 8 больных с острой лучевой болезнью III—IV степени тяжести
за несколько суток до смерти развился острый интерстициальный
пневмонит, сочетавшийся у части из них с крайне тяжелыми пора-
жениями кожи и кишечника.
У 80 больных имел место орофарингеальный синдром по типу
острого лучевого мукозита рта и глотки. Легкие его проявления
(I—II степень тяжести) характеризовались отеком и десквамацией
слизистой щек и языка и разрыхленностью десен. При III—IV сте-
пени тяжести развивались эрозии и язвы, резкая боль, выделение в
большом количестве слизи резиноподобной консистенции. Пер-
вые симптомы появлялись в период с 3 по 9-е сут (в зависимости от
степени тяжести); заканчивался процесс в среднем к 20-му дню.
Крайняя тяжесть и сочетание разнообразных тяжелых синдро-
мов, т. е. полиорганный характер поражения затруднял оценку не-
посредственных причин смерти в каждом отдельном случае.
А.К. Гуськова и соавторы отмечают, что только у небольшого чис-
ла больных летальный исход был следствием необратимой миело-
депрессии и инфекционных осложнений, у части пострадавших
самостоятельное или ведущее значение приобретал интерстици-
альный пневмонит, примерно в 2/3 случаев смерть наступила от об-
ширного поражения кожи и его осложнений (почечно-печеноч-
ной недостаточности, тяжелой интоксикации и энцефалопатии).
253
14.3. Хроническая лучевая болезнь
До последнего времени в литературе встречается неправильное
определение хронической лучевой болезни (ХЛ Б), к которой часто
относят отдаленные последствия острого облучения, а у животных —
поражения, возникающие при повторных облучениях. Например,
в монографии М. Тюбианы и соавторов (1969) под ХЛБ понимают
развивающиеся в отдаленные сроки после облучения (в том числе
и острого) лейкоз и различные злокачественные опухоли. Бытует
также неправильный термин «хронизация в течении ОЛБ».
Между тем ХЛБ — это самостоятельная нозологическая фор-
ма лучевого поражения, развивающаяся в результате продолжи-
тельного облучения в дозах, суммарно достигающих 1,0—3,0 Гр
при интенсивности облучения (мощности дозы) порядка
0,001—0,003 Гр/сут. Сроки развития проявлений ХЛБ зависят от
мощности дозы и варьируют от нескольких месяцев до 1 —3 лет.
ХЛБ, как и ОЛБ, характеризуется фазовым течением и особен-
ностями проявления, связанными с неравномерностью облуче-
ния, а также возможным развитием отдаленных последствий.
Большая заслуга в выделении, классификации и принципах
диагностики этой нозологической формы лучевого поражения,
имеющего чаще всего профессиональную природу, принадлежит
А.К. Гуськовой и Г.Д. Байсоголову, многолетние исследования
которых суммированы в неоднократно упоминаемой моногра-
фии, явившейся, по сути, первым обобщением данного вопроса в
мировой литературе. Позднее эти исследования были продолжены
коллективом, возглавляемым Н.Д. Окладниковой.
ХЛБ при внешнем облучении представляет собой сложный
клинический синдром с вовлечением ряда органов и систем, пе-
риодичность течения которого связана с динамикой формирова-
ния лучевой нагрузки, т. е. с продолжением или прекращением об-
лучения.
Своеобразие ХЛБ состоит в том, что в активно пролиферирую-
щих тканях, благодаря интенсивным процессам клеточного обновле-
ния, длительное время сохраняется возможность морфологического
восстановления тканевой организации. В то же время такие ста-
бильные (в клеточно-кинетическом отношении) системы, как нерв-
ная, сердечно-сосудистая и эндокринная, отвечают на хроническое
лучевое воздействие сложным комплексом функциональных реакций и
крайне медленным нарастанием незначительных дистрофических из-
менений.
254
После прекращения облучения наступает период восстановле-
ния, характеризующийся преобладанием репаративных процессов
в наиболее радиопоражаемых тканях, а также нормализацией
(иногда не полной) функциональных нарушений в других систе-
мах.
Другой вариант ХЛБ обусловлен длительным облучением от-
дельных сегментов тела при местном внешнем воздействии или,
что бывает чаще при облучении определенных систем, вызванном
радиоактивными веществами с избирательным распределением
(см. гл. 15). Пороговые величины доз излучения в этом случае за-
висят от их распределения в органах или сегментах тела. Они, как
правило, значительно выше, чем при общем равномерном облуче-
нии. Клиническая картина определяется радиочувствительностью
ткани и зоной преимущественного облучения (гипо- и дисфунк-
ция щитовидной железы — при поступлении радиойода, анемия
от радиофосфора, апластическая анемия и опухоли костной тка-
ни — при действии радия и т. д.). При ингаляционном поступле-
нии некоторых радионуклидов (2 ги) и радиоактивных газов
(232Th, 222Rn) или аппликации нуклидов на коже могут развиться
отдаленные преимущественные изменения именно в этих участ-
ках: пульмонит и рак бронхов или дискератоз и рак кожи.
Профилактика ХЛБ состоит в строгом соблюдении нормати-
вов и правил работы с радиоактивными источниками (см. гл. 25).
Важным элементом в лечении ХЛБ является перевод работника в
условия, соответствующие нормативным, или полное прекраще-
ние профессионального контакта с радиацией. Рациональное тру-
доустройство, как правило, позволяет сохранить трудоспособ-
ность.
14.4. Классификация, диагноз и прогноз
лучевой болезни
Несмотря на очевидное многообразие лучевых поражений че-
ловека, все они могут быть сгруппированы по определенным клас-
сификационным признакам. Как и во всех остальных случаях па-
тологии, это необходимо для изучения патогенеза заболевания и
разработки общих принципов терапии.
На рис. 14.7 представлена классификация лучевой болезни, в ос-
нову которой положена величина дозы и ее распределение во вре-
мени, что позволяет разделить все поражения на две группы: ост-
рые и хронические, в каждой из которых, в свою очередь, можно вы-
255
фильный лейкоцитоз и лимфопению. На основании сопоставле-
ния этих признаков с дозиметрическими характеристиками радиа-
ционного воздействия можно ориентировочно оценить тип
предполагаемого заболевания и его исход.
Наиболее надежными диагностическими и прогностическими
признаками являются количественные показатели кроветворе-
ния, непосредственно обусловленные прямым повреждающим
действием радиации. Кроме обычных гематологических методов
оценки морфологического состава крови и костного мозга, ис-
пользуют цитогенетический анализ, а именно подсчет клеток с
хромосомными аберрациями. Строгая зависимость между часто-
той аберраций и дозой излучения делает этот показатель надеж-
ным критерием тяжести поражения.
В табл. 14.1 приведены особенности проявления и ориентиро-
вочные исходы лучевой болезни разной степени тяжести. Однако
они не дают возможности индивидуального прогнозирования за-
болевания.
Интересные рекомендации в этом отношении дают В. Бонд и
соавторы, а также Д. Мерле и соавторы (Первая помощь при ра-
диационных авариях. М. Медицина, 1975), предложившие разли-
чать четыре прогностические категории: 1) выживание невозможно;
2) выживание возможно; 3) выживание вполне вероятно; 4) выжива-
ние несомненно. Каждая из этих категорий связана с наиболее ха-
рактерными клиническими и лабораторными признаками, хотя,
разумеется, неизбежно и их перекрывание. Исходя из положения о
том, что любое облучение человека оказывается в той или иной
степени неравномерным, а также учитывая накопленный опыт,
авторы предлагают четыре диапазона доз для каждой из упомяну-
тых категорий и аргументируют их практическими наблюдения-
ми.
Если доза облучения основной массы тканей тела достигает
5—6 Гр, то выживание невозможно, несмотря на медицинский
уход и самую совершенную (на тот период — СПЯ) терапию1.
1 Согласно данным российских авторов, в том числе и выше приведенным ре-
зультатам лечения пострадавших вследствие Чернобыльской аварии, при соответ-
ствующей терапии выживание возможно и при больших дозах, вплоть до 10 Гр. По
нашему мнению, здесь нет противоречий, так как вопрос этот связан со степенью
неравномерности распределения поглощенной дозы. В. Бонд оговаривает это усло-
вием «облучения основной массы тела».
257
ею
Таблица 14.1.Краткая характеристика основных проявлений острой лучевой болезни человека при общем относительно
равномерном облучении (по А.К. Гуськовой и др., 1985)
Доза излуче- ния, Гр Степень острой лу- чевой бо- лезни Начало прояв- ления первич- ной реакции после облуче- ния Характер пер- вичной реак- ции Латентный пе- риод Период разгара острой лучевой болезни Изменение пери- ферической кро- ви в период раз- гара заболевания Клиническая ре- акция в период разгара Последствия об- лучения
1-2 Легкая (D Через 2—3 ч; первичная реакция вы- ражена не всегда (в 30% случаев) Несильная тошнота с од- но-, двукрат- ной рвотой, стихает в день воздействия До 4—5 нед. На 5-7-й нед Снижение числа лейкоци- тов до 1,5—3 тыс/мм5, тром- боцитов — до 40—100 тыс. мм3, ускорение СОЭ до 10—25 мм/ч Возможны астенические явления Как правило, 100%-е выздо- ровление и при отсутствии ле- чения
2-4 Средняя (П) Через 1—2 ч; 70-80% по- страдавших; длится до 1 сут. Рвота 2—3 раза, слабость, недомогание, иногда суб- фебрильная температура 3—4 нед. На 4—5-й нед Снижение числа лейкоци- тов крови до 0,5— 1,5 тыс/мм3, тромбоцитов — до 20—40 тыс/мм3; разви- вается агрануло- цитоз, ускоряет- ся СОЭдо 25—40 мм/ч Возможны инфекционные осложнения; кровоточивость, астенический синдром Выздоровле- ние наступает у 100% при усло- вии лечения
4-6 Тяжелая (1П) Через 20—30 мин; длится до 2 сут Многократ- ная рвота, зна- чительное не- домогание, температура тела до 38°С До 10-20 сут, однако уже с первой неде- ли возможны проявления орофаринге- ального син- дрома; пораже- ние слизистой рта, гипере- мия, эрозия слизистых рта и зева, эритема кожи На 2-5-й нед Падение гра- нулоцитов до 100—500 кле- ток/мм3, тром- боцитов до 10—30 тыс/ мм3, СОЭ - 40-80 мм/ч Лихорадка носит выражен- ный характер, наблюдаются тяжелые ин- фекционные и геморрагиче- ские осложне- ния Выздоровле- ние возможно у 50—80% при условии спе- циализирован- ного лечения
Более 6 (6-10) Крайне тяжелая (IV); пере- ходная форма Через 20—30 мин; длится до 3—4 сут Эритема кожи и слизи- стых, жидкий стул, темпера- тура тела 38“С и выше Выражен не- четко, при не- котором улуч- шении состоя- ния, к 3—4-м сут сохраняет- ся слабость, быстрая утом- ляемость; при- сутствуют при- знаки пораже- ния слизистых рта и глотки С 8-12-х сут Развивается картина тяжело- го поражения органов крове- творения с ис- чезновением из крови нейтро- филов и тромбо- цитов Могут выяв- ляться кишеч- ные наруше- ния; одно-, дву- кратный жид- кий стул, другие диспептические расстройства Выздоровле- ние у 30—50% возможно лишь при усло- вии раннего лечения в спе- циализирован- ной клинике
Более 10 Встречается чрезвычайно редко; смертельный исход — 100%
В рассмотренных авторами очень тяжелых случаях, большинство из которых
осложнялось дополнительными факторами (ожоги, ударная волна и др.), леталь-
ный исход наступал в течение двух недель. У большинства пострадавших развива-
лись желудочно-кишечные расстройства и геморрагии вследствие тяжелой лейко-
пении и тромбоцитопении. Бактериемия, развивавшаяся в связи с лейкопенией,
являлась результатом инвазии не только патогенных микроорганизмов, но и соб-
ственной микрофлоры, обитающей в кишечнике. Предполагалось, что при лече-
нии инфекции пострадавшего ожидает необратимая гематопоэтическая недоста-
точность, что находится в полном соответствии с данными экспериментов на жи-
вотных, облученных в этом диапазоне доз. Как было показано, ранняя гранулоци-
топения и тромбоцитопения, без признаков абортивного восстановления,
свидетельствуют об утрате способности к регенерации гемопоэза. Отсюда и невоз-
можность выживания, несмотря на применение лечебных средств.
При дозах 2—4,5 Гр выживание возможно, несмотря на тяжелое
поражение; необходимо лишь своевременное и квалифицирован-
ное лечение.
Анализ большого числа пострадавших, подвергшихся облуче-
нию в дозах 2—4 Гр, показывает, что проявление разгара болезни в
абсолютном большинстве случаев связаны с реакцией кроветвор-
ной системы. Критическая стадия заболевания, наступающая на
4—5-й нед, характеризуется тяжелой гранулоцитопенией и тром-
боцитопенией, степень и продолжительность которых определяют
выраженность инфекционных осложнений, геморрагии, кровото-
чивости и изъязвлений. В наиболее тяжелых случаях в «поздней
критической фазе» развивается и кишечная симптоматика.
Возможность выживания, по-видимому, тесно связана с по-
тенциальной способностью костного мозга к восстановлению, о
чем в значительной степени можно судить по наступлению вре-
менного абортивного восстановления на 6—14-е сут после облуче-
ния, причины которого были рассмотрены в предыдущей главе.
Терапевтические мероприятия, способствующие восстановлению
гемопоэза, повышают вероятность выживания.
При дозах 1—2 Гр выживание вполне вероятно без специального
лечения, ибо поражение не столь сильно, чтобы вызвать депрес-
сию образования форменных элементов крови, число которых
спонтанно восстанавливается, но в некоторых случаях восстанов-
ление может затянуться. Более того, как правило, несмотря на зна-
чительно менее выраженное поражение грануло- и тромбоцитопо-
эза, чем в предыдущей категории, его восстановление протекает
медленнее. Причина этого феномена неизвестна.
При дозах менее 1 Гр своевременное восстановление кроветворе-
ния и выживание несомненны, а клиническая симптоматика не тре-
260
бует медицинского вмешательства, хотя исследования крови обна-
руживают вначале длительное (в течение нескольких недель) паде-
ние числа лимфоцитов, а позднее и некоторое уменьшение коли-
чества тромбоцитов.
14.5. Терапия острой лучевой болезни
Восстановление организма после общего острого облучения с
клеточно-кинетических позиций в первом приближении можно
свести к необходимости замены пораженных клеток здоровыми.
Применение терапевтических средств должно способствовать та-
кому процессу, его ускорению или стимуляции.
В этом состоит первый принцип лечения лучевой болезни, ко-
торый заключается в патогенетической терапии наиболее значимых
проявлений заболевания. Наряду с этим следует учитывать также
нарушения, возникающие и в других (некритических) системах
организма, воздействие на которые составляет второй принцип
лечения — симптоматическую терапию.
Другими словами, ликвидация непосредственных последствий
острого облучения происходит в процессе заместительной и функ-
циональной терапии.
Так как критической системой клеточного обновления млеко-
питающих при облучении в диапазоне доз до 10 Гр является систе-
ма кроветворения, то восполнение ее клеточной убыли составляет
первостепенную задачу заместительной терапии, способствующей
ослаблению первичных и вторичных нарушений, непосредствен-
но угрожающих жизни. При этом под первичными нарушениями
понимают аплазию костного мозга и связанное с ней обеднение
периферической крови форменными элементами (в первую оче-
редь гранулоцитами и тромбоцитами), под вторичными — инфек-
ционные осложнения и кровоточивость.
14.5.1. ЗАМЕЩЕНИЕ КОСТНОГО МОЗГА
Первые попытки трансфузии костного мозга у эксперимен-
тальных животных, предпринятые еще в 30-е годы, закончились
неудачно. Вторично интерес к этой проблеме возник в связи с раз-
витием иммунологии, когда стало понятно, что причина неудач-
ных трансфузий заключается в несовместимости костного мозга
донора с организмом реципиента.
261
Непосредственным толчком к развитию этих исследований
послужили эксперименты Л. Джекобсона, впервые продемонст-
рировавшего возможность выживания большинства мышей, облу-
ченных в летальной дозе при экранировании выведенной наружу
селезенки (1949), или трансплантации селезенки здорового доно-
ра облученному реципиенту (1951). Результаты этих опытов позво-
лили установить принципиальную возможность предотвращения
летального исхода сохранением лишь небольшого числа крове-
творных клеток (у мышей селезенка, наряду с костным мозгом, яв-
ляется кроветворным органом).
Затем появилось сообщение Е. Лоренца и др. (1951) об успеш-
ной трансфузии изологичного1 костного мозга летально облучен-
ным мышам, в результате которой 75% животных выжило. В даль-
нейшем во многих лабораториях мира были проведены широкие
исследования в этом направлении.
Оказалось, что эффективной может быть трансфузия не только
изологичного костного мозга, но и гомологичного и даже гетероло-
гичного, например, при пересадке от крыс или морских свинок мы-
шам (при этом необходимо, однако, ввести значительно большее
количество кроветворных клеток). При изологичных пересадках
летальность снижается пропорционально количеству введенных
клеток донора (рис. 14.8), она минимальна при введении 1 — 15 млн
клеток (поданным разных авторов). Для получения аналогичного
уровня выживаемости при гомо- и гетерологичных транспланта-
циях количество вводимых клеток следует увеличить в 10—15 раз
(рис. 14.9).
Анализ многочисленных литературных данных показал, что
для выживания 10—100% мышей (в зависимости от дозы облуче-
ния) необходимо сохранить жизнеспособность (заэкранировать
на время облучения или ввести извне) 200—400 стволовых клеток,
что составляет 0,05—0,1% их общего числа в организме интактных
животных.
Повышение выживаемости реципиентов является прежде все-
го непосредственным результатом ускорения регенерации костно-
го мозга, сопровождающейся быстрым восполнением перифери-
ческой крови форменными элементами.
1 Различают аутологичные (собственные), изологичные, или сингенные (генетиче-
ски однородные, например, у мышей одной линии или у однояйцевых близнецов), го-
мологичные, или аллогенные (от животных того же вида, но генетически неоднородных)
и гетерологичные (от животных другого вида) ткани, в том числе и костный мозг.
262
1
Рис. 14.8. Зависимость эффективности пересадки изологичного костного
мозга от количества донорских клеток, введенных мышам сразу после обще-
го облучения в дозе 9 Гр; динамика гибели животных в течение 30 дней
после облучения (по А. Арсо и К. Конгдону, 1957):
/ — облучение без введения костного мозга; 2—0,007 млн клеток; 3—0,016 млн кле-
ток; 4 — 0,61 млн клеток; 5—0,97 млн клеток; 6— 12,8 млн клеток
Рис. 14.9. Относительная эффективность пересадки изологичного (7),
гомологичного (2) и гетерологичного (3) костного мозга
(по В. Бонду и др., 1971)
Длительное время дискутировался вопрос о роли гуморальных
влияний в ускоренной регенерации костного мозга. Однако с раз-
витием цитогенетических методов исследования были получены
неопровержимые доказательства тому, что в организме реципиен-
та регенерирует костный мозг донора. Об этом свидетельствовали
эксперименты К. Форда (1956) с использованием хромосомных
263
маркеров. Было показано, что все делящиеся клетки регенериро-
вавшего костного мозга летально облученных реципиентов имели
характерные хромосомы донора. Аналогичные доказательства
были получены и при гетерологичных трансплантациях — кост-
ный мозг мышей заполнялся миелоидными клетками крыс, содер-
жащими щелочную фосфатазу, отсутствующую в миелоцитах мы-
шей [Ноуэлл П., 1956]. Таким образом, была получена истинная
химера — организм, в котором живут и развиваются клетки жи-
вотного другого вида1.
Радиационные химеры, образованные при изологичных пере-
садках, живут достаточно долго, но общая продолжительность их
жизни все же меньше, чем у исходного вида.
Положительный результат от трансфузии костного мозга полу-
чен на разных видах млекопитающих (крысах, кошках, собаках,
обезьянах). Однако основной материал накоплен в экспериментах
на мышах, так как на них можно иметь отчетливый генетический
контроль, а следовательно, и наиболее точную оценку результатов.
При гомо- и тем более при гетерологичных пересадках мыши
переживают ранний критический период, т. к. их достаточно хоро-
шо защищает регенерация собственного кроветворения. Но в по-
следующем (через 1,5—2 мес после облучения) они погибают от
вторичной болезни (рант-болезни, или болезни истощения). Разви-
вающийся при этом летальный синдром имеет иммунологическую
природу — как следствие тканевой несовместимости. Прежде все-
го, вероятно, он является результатом реакции (или иммунологи-
ческой атаки) клеток донора против тканей хозяина (трансплантат
против хозяина). Есть много оснований считать, что свойством
вызывать реакцию трансплантата против хозяина обладают только
клетки лимфоидного ряда, которые потому и получили название
иммунокомпетентных. В норме эти клетки находятся не только в
костном мозге и лимфатических органах, но также в перифериче-
ской крови и других тканях. Показано, что даже незначительное
количество иммунокомпетентных клеток способно вызвать эту
реакцию. По подсчетам Д. Ван-Беккума (1974), крупного специа-
листа в области радиационной иммунологии, при внутривенном
введении для развития вторичной болезни достаточно 10 млн лим-
1 Заимствованные из мифологии термины «химеризм», «химера» — введены
нобелевским лауреатом П. Медаваром для определения главного смысла данного
явления, казавшегося с иммунологических позиций невероятным.
264
Рис. 14.10. Зависимость эффек-
тивности пересадки изологичного
и гетерологичного костного мозга
крыс от дозы облучения мы-
шей-реципиентов (по Н. Генго-
циану, Т. Макинодану, 1957):
/ — без пересадки; 2-1,4- 108 клеток
гетерологичного костного мозга;
5— 1,2- 10’ клеток изологичного кост-
ного мозга
Доза излучения, Гр
фоцитов/кг массы тела. Облучение организма временно подавляет
выработку собственных антител и лимфоцитов. Благодаря этому
чужеродные клетки приживляются и размножаются до такого
уровня, с которым в самый начальный период восстановления им-
мунитета организм сам был не в состоянии справиться, и в возни-
кающей «схватке» победителем оказывается агрессивный «спаса-
тель» — трансплантат, борющийся в этот период за свое собствен-
ное существование.
Важным следствием механизма возникновения вторичной бо-
лезни является парадоксальное, на первый взгляд, явление — по-
вышение эффективности гомо- и гетерологичной пересадки кост-
ного мозга с увеличением дозы облучения реципиента. Эта зави-
симость представлена на рис. 14.10, где показано, что при относи-
тельно малых дозах излучения трансфузия гетерологичного
костного мозга даже увеличивает смертность, вероятно, также
вследствие иммунологической реакции между донорскими клет-
ками и не полностью подавленным иммунитетом реципиента.
Другая важная особенность, определяемая теми же причина-
ми, состоит в том, что чем дальше донор и реципиент отстоят друг
от друга в таксономическом и генетическом отношении, тем боль-
шая доза излучения необходима для подавления иммунологиче-
ского ответа (в этом случае, вероятно, по типу хозяин против
трансплантата). Минимальные дозы излучения, обусловливаю-
щие прививку (приживление) у мышей костного мозга, взятого от
крыс, хомяков, морских свинок и кроликов, составляют соответ-
ственно 5, 9, 11,5 и 15 Гр.
265
Время после облучения, мес
Рис. 14.11. Динамика гибели облученных мышей после введения
костного мозга донора различной степени генетической близости
(по В, Бонду и др., 1971):
/ — 9 Гр (<?<? х 2?); 2 — 9 Гр + гомологичный костный мозг (??),' 3 — 9 Гр + изо-
логичный костный мозг (cf<f х ??); 4 — необлученные в контроле (<f<f х ??)
Решающая роль генетического родства в эффективности гемо-
трансплантации была продемонстрирована в экспериментах с
первым поколением мышей-гибридов, служивших облученными
реципиентами, которым вводили костный мозг от таких же гибри-
дов или от одного из их линейных родителей (рис. 14.11). При изо-
логичной пересадке основная масса животных погибает только в
период между 12—18-м мес (это, кстати, демонстрирует неэффек-
тивность введения костного мозга в отношении отдаленных по-
следствий и, в частности, сокращения продолжительности жиз-
ни), тогда как при введении костного мозга даже от одного геноти-
пически наиболее близкого родителя 80% реципиентов погибают в
первые полгода, причем абсолютное большинство — в первые
2—3 мес.
Достоверные сведения об эффективности различного количе-
ства введенных клеток получены в экспериментах на мышах, кры-
сах и обезьянах. На животных других видов можно лишь примерно
определить минимальные количества клеток. В табл. 14.2 пред-
ставлены сводные данные, полученные на летально облученных
реципиентах.
266
Таблица 14.2. Число изологичных, аутологичных и аллогенных клеток
костного мозга, обеспечивающее 100%-ю 30-дневную выживаемость
или максимально достижимую защиту животных, подвергнутых общему
облучению в летальных дозах (по Д. Ван-Беккуму, 1974)
Вид животного Масса тела, кг Число клеток/кг массы Соотношение аллогенные/изо- логичные
изо- или ауто- логичные 10’ аллогенные -10"
Мыши 0,02 0,5 4 80
Крысы 0,20 5 5 10
Морские свинки 0,60 5 5 10
Кролики 2,50 4 2 5
Обезьяны 3,00 4 2 5
Собаки 6,00 5 3 6
Телята 50,00 3 8 27
Как следует из данных таблицы, количество кроветворных
клеток, необходимое для предотвращения гибели от костномозго-
вого синдрома, хорошо совпадает у животных разных видов. В
среднем число аллогенных клеток в 5—10 раз превышает необхо-
димое число изо- или аутологичных клеток. Исключение пред-
ставляют мыши, у которых чрезвычайно эффективны изо- и ауто-
логичные пересадки, вероятно, вследствие большой подвижности
стволовых клеток.
На основании обстоятельного анализа данных на животных, а
также имеющихся в литературе клинических сведений Д. Ван-Бек-
кум пришел к выводу, что надежной дозой изогенного, или ауто-
логичного, костного мозга для человека следует считать 2 • 108 кле-
ток/кг массы тела, а при аллогенной пересадке ~ 109 клеток/кг
массы.
В оптимальных условиях изологичная пересадка костного моз-
га мышам приводит к удвоению ЛД5О/ЗО Более того, в сочетании с
предварительными применением радиопротекторов и лечением
антибиотиками ЛД5О/ЗО повышается с 7 до 19 Гр, а при ежедневном
введении стрептомицина отдельные животные переносят дозы до
30 Гр.
Однако трансфузии гомологичного костного мозга человеку не
имеют терапевтической ценности, так как даже в тех случаях, ко-
гда обеспечивается непосредственное выживание, нельзя не счи-
таться с практически неизбежным развитием тяжелых иммуноло-
гических расстройств, заканчивающихся летальным исходом.
Таким образом, иммунитет, по меткому выражению Р.В. Пет-
рова (1968), «охраняющий нашу индивидуальность на протяжении
267
всей жизни», в данном случае сильно ограничивает практические
возможности реализации столь высокоэффективного средства по-
страдиационной терапии человека, как трансплантация костного
мозга.
К середине 70-х годов была расшифрована главная генетическая
система гистосовместимости у человека, что создало возможность
типирования и подбора доноров, идентичных по главному антигену
системы HLA. В связи с этим гомологичные пересадки костного мозга
приобрели практическое значение и у человека, особенно после то-
тального, равномерного гамма-терапевтического облучения.
В настоящее время разрабатываются различные пути преодо-
ления иммунологического барьера, или способы иммунологиче-
ского сближения. Один из них, давший великолепные результаты
в эксперименте и демонстрирующий принципиальную возмож-
ность такого сближения, — выработка иммунологической толе-
рантности в эмбриональном периоде. При введении эмбриону го-
мологичных клеток из-за несовершенства его иммунологической
системы постепенно вырабатывается такая же иммунологическая
толерантность к антигенам введенных клеток, как и к собствен-
ным клеткам. Во взрослом состоянии такая химера распознает чу-
жое (клетки, ткани того же донора), но не реагирует на него, так
как в организме уже выработана специфическая терпимость к это-
му чужому. За открытие явления иммунологической толерантно-
сти П. Медавару и была присуждена Нобелевская премия.
Из рассмотренных способов преодоления иммунологического
барьера наиболее обоснованными представляются те, которые на-
правлены на удаление максимального количества иммунокомпе-
тентных лимфоидных клеток донора, а также подбор доноров на
основе гистосовместимости. До тех пор, пока эти методы не будут
вполне надежными, трансплантация аллогенного костного мозга
человеку остается проблемой, связанной с серьезным риском, сте-
пень которого в каждом отдельном случае необходимо правильно
определить. Поэтому к встречающимся в литературе излишне оп-
тимистическим рекомендациям, а также сообщениям об эффек-
тивных трансплантациях аллогенного костного мозга следует от-
носиться критически или, во всяком случае, весьма осторожно.
Чаще всего переоценка результатов обусловлена неполным учетом
возможности спонтанного восстановления кроветворения, для
которого достаточно сохранения менее 1 % стволовых клеток. Осо-
бенно наглядна необоснованность таких рекомендаций при не-
равномерном и тем более при локальном облучении. С учетом этих
данных Т. Флиднер (1974) правильно предупреждает о недопусти-
268
мости поспешного назначения заместительных процедур; у мно-
гих пострадавших не следует устанавливать прогноз в течение не-
скольких недель, и нужно быть готовым пересмотреть тактику ле-
чения в связи с получением новых данных.
Ранее был приведен наглядный пример оправданной жизнью
правильной тактики лечения пострадавшей К., основанной на от-
казе от трансплантации костного мозга, в расчете на спонтанное
восстановление собственного кроветворения.
Накопленный опыт показал, что в диапазоне доз общего облуче-
ния до 10—12 Гр при адекватной поддерживающей терапии восста-
новление кроветворения возможно и без трансплантации костного
мозга.
Значительно свободнее следует использовать возможности
трансплантации экзогенного костного мозга от однояйцевых
близнецов, однако такие ситуации, естественно, крайне редки.
Существенному расширению подлежит возможность использова-
ния аутологичного костного мозга как интактного, так и из участ-
ков, облученных в относительно небольших дозах (до 5 Гр).
Обоснование этому методу дал Г.С. Стрелин, показавший в се-
рии многолетних систематических исследований усиление защит-
ного действия экранирования конечности при однократном и
фракционированном облучении с помощью аутотрансплантации
клеток костного мозга из экранированного участка. В сравнитель-
ных экспериментах автора и его сотрудников эта процедура оказа-
лась менее эффективной на мышах и более эффективной на кры-
сах, собаках и обезьянах, что, вероятно, связано с различной спо-
собностью стволовых клеток к самостоятельному расселению. У
мышей она максимальна, и дополнительный эффект аутотранс-
плантации костного мозга из экранированного участка оказывает-
ся слабо выраженным, ибо сохранившиеся в нем стволовые клетки
способны и сами достаточно быстро заселить опустошенные зоны
костного мозга. У крыс и особенно у собак и обезьян (вероятно, и у
человека) стволовые клетки менее мобильны и потому любые фак-
торы, способствующие их расселению, должны ускорять процес-
сы восстановления гемопоэза. Те же аргументы справедливы и для
проведения аутотрансплантации костного мозга из относительно
слабо облученных участков.
Преимущество данного метода состоит в возможности осуще-
ствления трансфузий нативными свежими клетками без предвари-
тельного консервирования. Такой прием оправдан и в тех случаях
неравномерного облучения, когда спонтанное восстановление
вполне вероятно или даже несомненно. Аутомиелотранспланта-
269
ция, абсолютно безопасная в иммунологическом отношении, спо-
собна сократить срок восстановления гемопоэза, а следовательно,
длительность лейко- и тромбопении, что, в свою очередь, умень-
шит вероятность инфекционных и геморрагических осложнений.
Оказалось целесообразным использовать аутомиелотранс-
плантацию костного мозга как средство ускорения регенерации
кроветворения при лучевой терапии лимфогранулематоза по ра-
дикальной программе, предусматривающей так называемое ши-
рокопольное облучение, при котором непосредственному радиа-
ционному воздействию подвергается до 80% активного костного
мозга.
14.5.2. ЗАМЕЩЕНИЕ ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ КРОВИ
Как было показано, непосредственной причиной гибели при
костномозговом синдроме являются чаще всего инфекции и кро-
вотечения (см. гл. 12). Четкая корреляция между временем разви-
тия инфекции и снижением количества гранулоцитов указывает,
что нейтрофильные гранулоциты играют основную роль в защите
организма от микробной инвазии и избыточного размножения
бактерий. В развитии же геморрагического синдрома ведущая роль
принадлежит тромбоцитопении. Так как снижение числа грануло-
цитов и тромбоцитов происходит почти одновременно, инфекция и
геморрагический синдром взаимно отягощают друг друга, а это за-
трудняет дифференциацию их роли в процессе гибели.
Возможность противолучевой защиты организма замещением
форменных элементов крови можно отчетливо продемонстриро-
вать в экспериментах с парабиотизированными животными. Если
крысу на 3—4-е сут после летального облучения соединить с помо-
щью кожно-сосудистого лоскута с интактньм партнером, то это
оказывается достаточным, чтобы облученным парабионтам пере-
жить критический период (8—12-е сут после облучения), когда
наиболее выражены гранулоцитопения и тромбоцитопения, при-
водящие к гибели контрольных непарабиотизированных живот-
ных. Успех этого эксперимента связан с поступлением в кровь об-
лученного партнера клеток крови интактного животного, что дало
основание использовать переливание гранулоцитов при лечении
ОЛБ.
Практическая ценность переливания гранулоцитов может ока-
заться ограниченной из-за небольшой продолжительности их
жизни (полупериод обращения гранулоцитов у человека 6—8 ч)
или быстрой утраты ими жизнеспособности. Отсюда — необходи-
270
мость в обильном источнике гранулоцитов для частых перелива-
ний. Кроме того, жизнеспособность перелитых гранулоцитов с
увеличением числа трансфузий сокращается. Однако, несмотря на
эти ограничения, переливание гранулоцитов имеет первостепен-
ное значение. В радиобиологических экспериментах на животных
и в гематологической клинике было показано, что значительное
повышение устойчивости к бактериальной инфекции не требует
поддержания высокого уровня лейкоцитов. Реципиентам с лейко-
пенией (большинство из них страдало острой лейкопенией) про-
изводили трансфузию 5 • 1О10 гранулоцитов, взятых от больных
хронической миелоидной лейкемией, у которых содержание лей-
коцитов составляло (1—3) 105 в 1 мм3 крови. Основная масса пе-
релитых гранулоцитов исчезала из периферической крови в тече-
ние нескольких часов и все же с помощью повторных ежедневных
трансфузий удавалось некоторое время поддерживать число лей-
коцитов на уровне ~ 1О3/мм3. Через 12 ч после трансфузии у боль-
ных наступала нормализация температуры, причем лихорадка не
наблюдалась в течение двух недель.
Эффективным средством борьбы с инфекцией в период лейко-
пении служат антибиотики. В большинстве экспериментальных
работ применение антибиотиков снижало пострадиационную
смертность, хотя в отдельных исследованиях терапия антибиоти-
ками была безуспешной, что связывают с устойчивостью к ним оп-
ределенных микробных штаммов. При изменении назначаемых
антибиотиков в ходе лечения эффективность повышается.
Убедительные доказательства роли тромбоцитопении в разви-
тии геморрагического синдрома были получены еще в ранних экс-
периментах Д. Фабрициуса-Меллера (1922), наблюдавшего отсут-
ствие кровоточивости и сохранение на более высоком уровне чис-
ла тромбоцитов у морских свинок, подвергнутых облучению тела
при экранировании конечности. Рис. 14.12 иллюстрирует эффек-
тивность трансфузии тромбоцитов в качестве кровоостанавливаю-
щего средства у облученной собаки. Показателем кровоточивости
в этом случае служила интенсивность выхода эритроцитов в лим-
фу, а трансфузия свежих тромбоцитов привела к резкому увеличе-
нию их числа в крови реципиента, сопровождавшемуся резким
снижением выхода эритроцитов в лимфу. Оба эффекта наблюдали
лишь при введении свежевыделенных концентрированных тром-
боцитов, они отсутствовали при использовании лиофилизован-
ных и разрушенных ультразвуком тромбоцитов; неэффективными
оказались также тромбобластин и флавоновые препараты. Эффек-
тивность гемостатического действия трансфузии свежих тромбо-
271
Время после облучения, ч
Рис. 14.12. Гемостатическое действие тромбоцитов
при кровотечении у собаки.'
1 — эритроциты в лимфе; 2 — тромбоциты
цитов связана с их способностью сохраняться в периферической
крови (рис. 14.13).
Весьма интересны наблюдения, показавшие, что в случае по-
давления инфекции естественными механизмами или лечебными
мероприятиями потребность организма в тромбоцитах уменьша-
ется. Так была определена целесообразность сочетания трансфу-
зий тромбоцитов с применением антибиотиков.
Возможность лечебного применения тромбоцитов осложняет-
ся их быстрым разрушением при обычном хранении. В последние
годы показано, что замораживание тромбоцитов до —196 °C в рас-
творе глюкозы и диметилсульфоксида позволяет сохранить жиз-
неспособными более 50% клеток.
В настоящее время имеется достаточно успешный опыт по
очень высокой гемостатической эффективности трансфузий све-
жей тромбоцитарной массы (тромбоцитов) как при тотальном
гамма-терапевтическом облучении в дозах 10—14 Гр, так и при
острой лучевой болезни от случайного (аварийного) у- или у-ней-
тронного облучения.
При необходимости лечения анемии производят трансфузию
эритроцитарной массы. Показания к ее применению возникают
при резком снижении числа эритроцитов (обильные кровопотери,
272
Рис. 14.13. Влияние трансфузий тромбоцитов на количество тромбоцитов
у облученных крыс (по Т.М. Флиднеру, 1958):
/ — контроль; 2—6 Гр; 5—6 Гр + свежие тромбоциты; 4—6 Гр = лиофилизирован-
ные тромбоциты
дополнительные травмы и ожоги), обычно же регенерация эрит-
роцитов у переживших облучение животных и человека происхо-
дит достаточно быстро.
Последним средством, относящимся к заместительной тера-
пии, следует назвать переливание жидкостей, солевых растворов,
глюкозы и т. д., компенсирующих утрату воды и электролитов, со-
путствующую поражению кишечника. Сами по себе эти средства
неэффективны, однако в сочетании с антибиотиками они сущест-
венно уменьшают раннюю летальность животных.
При рассмотрении различных аспектов заместительной тера-
пии не была упомянута трансфузия цельной крови, хотя в клинике
и в эксперименте ее применяют достаточно часто. Однако ясно,
что с цельной кровью может быть введено ограниченное количест-
во форменных элементов, особенно гранулоцитов, поэтому во
всех случаях предпочтительнее использовать клеточные концен-
траты. Кроме того, следует учитывать также возможность возник-
новения реакции типа «трансплантат против хозяина», индуци-
руемой иммунокомпетентными лимфоцитами, содержащимися в
периферической крови. Согласно расчетам Д. Ван-Беккума, ми-
нимальный риск возникновения такой реакции возможен уже при
введении 107 лимфоидных клеток на 1 кг массы реципиентам сим-
273
мунологической недостаточностью (такое количество лимфоци-
тов содержится в 0,5 л свежей крови при введении человеку массой
70 кг).
Поэтому при переливании цельной крови или ее отдельных компо-
нентов рекомендуется облучать их in vitro в дозах 15—25 Гр, что по-
зволяет элиминировать иммунокомпетентные клетки.
Л.М. Рождественским и Е.Н. Щербовой (1987) предложен но-
вый подход к ускорению пострадиационного восстановления кро-
ветворной системы. Он заключается в эксплантации части костно-
го мозга из облученного организма, инкубации его в течение 1 ч
при температуре 36 °C (в присутствии циклогексимида, способст-
вующего восстановлению стволовых клеток) и последующей ре-
имплантации. В опытах на мышах Fx (СВА х C57BI) при дозе у-из-
лучения 8,5 Гр с помощью такой процедуры (эксплантация кост-
ного мозга из двух бедренных костей сразу после облучения) вы-
живаемость повышается с 10 до 70% . Показано также, что менее
выраженный эффект удается получить с помощью одной транс-
плантации мышам-реципиентам донорских облученных клеток,
инкубированных в указанных условиях. Механизм этого феноме-
на пока не ясен.
Изложенные принципы терапии острой лучевой болезни полно-
стью оправдали себя при лечении пострадавших при аварии на Черно-
быльской АЭС.
Как сообщают А.К. Гуськова и соавторы (1987), всех больных
ОЛБ II—IV степени тяжести содержали в палатах, приспособлен-
ных для максимального соблюдения асептического режима, обес-
печивающего содержание микроорганизмов не более 500 коло-
ний/м3 воздуха.
Оправдала себя тактика интенсивного противоинфекционно-
го лечения, состоящая в одновременном внутривенном введении
2—3 антибиотиков широкого антибактериального спектра из
группы аминогликозидов, цефалоспоринов и полусинтетических
пенициллинов в максимальных дозировках. В случаях, когда та-
ким путем лихорадку не удавалось купировать, применяли у-гло-
булин и амфотерицин В. При лечении герпетической инфекции,
которой было поражено не менее 1 /3 больных ОЛБ III и IVстепени
тяжести, с успехом применяли ацикловир.
В результате практически отсутствовали летальные исходы,
обусловленные инфекцией, даже у больных с тяжелой и крайне тя-
желой формой костномозгового синдрома, если он не был ослож-
274
нен ожогами, лучевым энтеритом или острой вторичной болезнью
после трансплантации костного мозга.
Большую роль сыграло использование свежих тромбоцитов
для профилактики, лечения кровоточивости. Тромбомассу полу-
чали методом 4-кратного тромбоцитофореза от отдельных доно-
ров в семи центрах Москвы. Тромбомассу (300 • 109 клеток в
200—250 мл плазмы на трансфуззию) подвергли облучению в дозе
15 Гр для инактивации иммунокомпетентных клеток. Трансфузии
начинали при снижении числа тромбоцитов меньше 20 • 109 кле-
ток/л. Всего требовалось от 3 до 8 трансфузий. В результате крово-
точивость отсутствовала даже при длительной (> 2—4 нед) и глубо-
кой тромбоцитопении. В части случаев успешно использовали
криоконсервированную аллогенную и, что особенно важно, ауто-
логичную тромбомассу, которую получили заранее у больных с
ОЛБ II—III степени в первые дни после облучения.
Лейкомассу не применяли, а потребности в эритромассе оказа-
лись значительно выше ожидаемых даже у больных с ОЛБ II—III
степени, неосложненной тяжелыми радиационными ожогами.
На рис 14.14 приведена клиническая карта больного, отражаю-
щая типичный объем и продолжительность заместительной и под-
держивающей терапии при острой лучевой болезни, не осложнен-
ной угрожающими жизни поражениями других тканей.
Части больных были произведены трансплантации костного
мозга от доноров, гаплоидентичных по Я£Я-антигену (ТАлКМ) и
шести больным — трансплантации клеток эмбриональной печени
человека (ТКЧЭП)Г. Показанием к трансплантациям была доза
общего у-облучения, оцененная по числу лимфоцитов крови и
хромосомным аберрациям, порядка 6 Гр и более.
После ТКЧЭП пять больных погибли в ранние сроки (с 14 по
18 сут после облучения) от поражений кожи и кишечника. Одна
больная прожила 30 сут после облучения в дозе 8—10 Гр, причем в
день смерти (17-е сут после ТКЧЭП) на фоне глубокой панцитопе-
нии в костном мозге впервые было обнаружено много делящихся
клеток, имевших женский кариотип, что свидетельствовало о на-
чале регенерации собственного костного мозга (ТКЧЭП была
произведена от 18-недельного эмбриона мужского пола).
1 Эмбриональная печень содержит стволовые кроветворные клетки при мини-
муме иммунокомпетентных элементов, что резко снижает риск развития вторич-
ной болезни.
275
Показатели Сутки после облучения
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 if 19 20 21 2; 23 2Z 25 262 7282 930 31 з: 333 435 36 37 38 39 46 41 4; 43 44 45 46 47 48 49 50
Эритромасса х 100 мл Тромбомасса х Ю11 Кровоточивость: тяжелая средняя легкая /
1 3 3 6 IT
1 45 42 43 42 4,1 4 C 4.1 42 4,0 /
/
1 (
1 !
_1
/
Т‘С Ю9/л 40“ п„ 5-100 — Лейкоциты 39- 4--80 38- Гранулоциты J--60 37- _ 2-40 Тромбоциты 36- I -20 Л.ГТр 1
л 1 /
г
г T c 1
А
1 А к л С г 1 I' T
V г 1 1 Г
IV г * 5» L т
Т. L I Пй I т т Sr Т d ib I T I T I T T Т т т т т I т т т 4
Г 1 I t 1 Г К 1 I I f I f 1 £ i 1 1 I 1 I Г ± т т Т I Г т т т
4 u Л
4 «*
я я 3 <и •& я S Крови н p 3 2 г Р п
Легких
Кишечника 12 Г’’ •
Почек □ 0 Э 3 a С О п э
Рта • ir^ r-4 12 Iht-d • ь—4 л
Ожоги Кисти 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 a 3 3 за 2' a 2’ /2' 2' 2' 2' 2' Г Г Г Г г г 1'
Голени 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 a 2 2 за 3 в 3 3 3 2' 2' 2' 2' 2 г г г г г г 1' 1
Ягодицы 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 Г 11 r 'Г 1 in Г и Г ' Г Г Г Г Г Г 1' г г
Изоляция больных \ \ 0 V \V 80 0 0 \ \
Стерилизация кишечника Bi se Pt >1 - 480 2880 м'г/с ут iNist'ati С- 1 0( а/ С' /т
Антибиотики Ceparin г n7, 17,7
Gen ta my с in мг 24,0/ /X гл 7
Carbenicillin мг i.6^ 7 % 7
Аналогичным образом в сроки от 2 до 19 сут после пересадки (с
15-х по 25-е сут после облучения) погибли семь больных после
ТАлКМ от острых лучевых поражений кишечника и легких.
Из шести больных, получивших ТАлКМ, но не имевших несо-
вместимых с жизнью поражений кожи и кишечника (дозы общего
облучения у них были оценены в диапазоне 4,3—10,7 Гр), выжили
двое, получившие 5,8 и 9,0 Гр. У обоих произошло отторжение вре-
менно функционировавшего трансплантата от гаплоидентичных
доноров — сестер к 32—35-м сут и с 28-х сут началось восстановле-
ние собственного гемопоэза.
В остальных 4 случаях даже при HLA- идентичных трансплан-
тациях и наличии полного или частичного химеризма имела место
так называемая трансплантанно обусловленная летальность
(ТОЛ) в сроки от 36 до 91 дня после облучения: в трех случа-
ях — реакция трансплантат против хозяина (РТПХ) в сочетании с
тяжелыми вирусными (цитомегаловирус), микозными и бактери-
альными инфекциями, в одном случае — реакция хозяин против
трансплантата (РХПТ) с синдромами «протекания» и полиорган-
ной недостаточности.
На основании этих наблюдений сделан вывод о том, что при об-
щем облучении в диапазоне доз 8—10 Гр и даже при отсутствии про-
тивопоказаний к трансплантации КМ в виде несовместимых с жиз-
нью некостно-мозговых острых лучевых синдромов, пересадка алло-
генного костного мозга как HLA- неидентичного, так, по-видимому, и
HLA-идентичного при острой лучевой болезни малоцелесообразна
из-за высокого риска РТПХ и ТОЛ.
Сложную и многостороннюю проблему составило лечение лу-
чевых ожогов и других внекостно-мозговых синдромов. Здесь ис-
пользовали комплекс местной терапии — аэрозоли и пленки бак-
терицидного и аналгезирующе-противовоспалительного дейст-
вия, дубящие средства, а позднее — мазевые повязки с производ-
ными гидрокортизона. Незаживающие раневые и язвенные
дефекты удаляли хирургически с последующей пластикой. Кроме
Рис. 14.14. Клиническая карта больного с костно-мозговым синдромом
средней степени тяжести; доза общего у-облучения, оцененная по числу
хромосомных аберраций в лимфоцитах крови,— 3,9 Гр (по А. К. Гуськовой
и др., 1987):
Вертикальными линиями обозначена температура тела (максимальная и минимальная) в
течение суток; кружками — результаты бактериологического исследования крови, мокро-
ты и кала (пустыми кружками — нет роста, • — обнаружены бактерии или грибки);
цифры в разделе «Ожоги» соответствуют трем степеням термического поражения
277
того, для ослабления токсикоза осуществляли ряд общих меро-
приятий — гемосорбцию, плазмафорез, вливание больших объе-
мов свежезамороженной плазмы (до 1000 мл) на фоне круглосу-
точной гепаринизации (1000 ед/ч) с нагрузкой жидкостью
(2—6 л/сут) и форсированным диурезом, адекватным объему вве-
денной жидкости.
Трудной и малоэффективной оказалась борьба с болевым син-
дромом в связи с явно недостаточным арсеналом в современной
медицине местно-обезболивающих средств.
Изложенные материалы лечения большого числа пострадав-
ших при аварии на ЧАЭС обогащают опыт патогенетической тера-
пии ОЛБ. У большинства больных с костно-мозговым синдромом
I—II степени тяжести клиническое выздоровление завершалось к
3—4-му мес. В более длительном лечении нуждались пострадав-
шие с тяжелыми лучевыми ожогами и последствиями костно-моз-
гового синдрома III-IV степени. У нескольких выживших с тяже-
лым и крайне тяжелым костно-мозговым синдромом сохраняются
признаки иммунодефицитного статуса (низкое соотношение хел-
перы — супрессоры, определяемое в субпопуляции Т-лимфоци-
тов с помощью моноклональных антител). Однако, как показали
результаты постоянного наблюдения, и у них в последующие годы
после облучения не отмечалось каких-либо тяжелых инфекций,
угрожающих жизни.
14.5.3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ТЕРАПИЯ
Мероприятия по заместительной терапии могут быть также
частично отнесены и к функциональному лечению последствий
облучения человека. Другие виды функциональной терапии не ба-
зируются на каких-либо специфических началах, а представляют
обычный арсенал симптоматических средств, направленных на
поддержание и улучшение деятельности всех органов и систем ор-
ганизма, в той или иной степени пораженных ионизирующим из-
лучением.
Оказание помощи начинается уже в фазе первичной реакции и
сводится к назначению средств, уменьшающих выраженность
диспептического синдрома и детоксикации, а также способствую-
щих нормализации деятельности нервной, а иногда и сердеч-
но-сосудистой систем. По мере развития болезни возникает необ-
ходимость в применении самых различных средств симптоматиче-
ской терапии, а также в проведении мероприятий по уходу, содер-
жанию больных, их режиму и питанию.
278
При рассмотрении клинических рекомендаций следует пом-
нить о недопустимости поспешного назначения терапевтических
процедур, ибо в течение нескольких первых часов или суток может
оказаться, что сложные терапевтические мероприятия вообще не
нужны, так как поглощенная доза оказалась весьма низкой или,
напротив, она была столь высока, что никакая терапия не помо-
жет. При среднем диапазоне доз, как правило, серьезная необхо-
димость в лечении появляется по прошествии нескольких суток и
даже недель. Однако следует учитывать рекомендации А.К. Гусь-
ковой и Г.Д. Байсоголова (1971) о благоприятном влиянии на по-
следующее течение болезни раннего назначения антибиотиков с
профилактической целью, а также с учетом опасности эндогенно-
го инфицирования, в связи с чем важно не опоздать с их примене-
нием.
Ниже перечислены разрабатываемые в эксперименте средства
функциональной терапии острого лучевого синдрома, примене-
ние которых в практике человека пока не имеет опыта. Среди них
следует прежде всего остановиться на бактериальных эндотокси-
нах тифопаратифозной группы, представляющих собой липопо-
лисахаридные комплексы. В экспериментах на мышах показано,
что однократное введение их в течение первых суток после облуче-
ния сопровождается значительным повышением выживаемости.
Механизм терапевтического действия эндотоксинов связывают со
стимуляцией неспецифической резистентности, однако строгие
доказательства этого отсутствуют.
Несомненный успех получен и при лечении облученных жи-
вотных препаратами ДНК, причем для нуклеиновых кислот не
имеет значения генетическая близость. По данным Б. Паневича,
эффективными оказались препараты изологичных ДНК и РНК, а
Д. Мэзен (1965) и Н. Лучник (1966) наблюдали повышение выжи-
ваемости мышей, получавших даже дрожжевую РНК. Механизм
действия этих биополимеров пока не выяснен, хотя и продолжает
изучаться. Предположение об их заместительной роли (взамен или
как компенсация ДНК, поврежденной при облучении) вряд ли
обосновано, так как они эффективны не только для лечения, но и
при профилактике лучевых поражений.
Противоречивые результаты получены при использовании
гормонов, в частности эстрогенов. Наиболее убедительные экспе-
риментальные данные о благоприятном влиянии на процессы ре-
парации небольших количеств глюкокортикоидов получили
В.Д. Рогозкин и К.С. Чертков (1975). Этим результатам соответст-
вуют клинические наблюдения А.К. Гуськовой и Г.Д. Байсоголова
279
(1971), применявшими преднизолон (по 10—15 мг) в конце фазы
разгара и в начале фазы раннего восстановления. Заслуживают
внимания экспериментальные данные Г.А. Чернова (1962) о бла-
гоприятном влиянии серотонина на течение геморрагического
синдрома.
Противопоказано при лечении последствий облучения приме-
нение сульфаниламидных препаратов из-за их лейкопенического
действия. Ограниченное применение имеют наркотические сред-
ства, в частности препараты морфия, к которым замечено повы-
шение чувствительности облученного организма. Наконец, учи-
тывая склонность к геморрагиям, следует избегать, по возможно-
сти, любых инъекций.
Итак, оценивая современные возможности терапии ОЛБ, мож-
но уверенно констатировать, что при правильной оценке степени по-
ражения критических систем в условиях, когда в принципе возможно
спонтанное восполнение их клеточного фонда, грамотно спланиро-
ванная и тщательно осуществленная терапия позволяет получить
выживание примерно половины пострадавших, которые без лечения
были бы обречены на гибель.
РЕЗЮМЕ
• Под лучевой болезнью человека понимают определенный
комплекс клинических проявлений, развивающихся в орга-
низме в результате воздействия ионизирующих излучений.
• Разнообразие форм лучевой болезни определяется видом
ионизирующего излучения, поглощенной дозой и ее распреде-
лением в облучаемом объеме и во времени, т.е. условиями об-
лучения.
• Условия облучения характеризуются пространственными
и временными факторами распределения дозы. К первым от-
носятся следующие параметры: общее или местное, внешнее
или внутреннее (от инкорпорированных радионуклидов), рав-
номерное или неравномерное облучение. Ко вторым — крат-
ность и интенсивность радиационного воздействия: однократ-
ное (острое), многократное (фракционированное) или хрони-
ческое облучение при разной мощности дозы.
• Соответственно перечисленным условиям облучения
формируются и классифицируются острая (ОЛБ) или хрони-
ческая (ХЛБ) лучевая болезнь при общем относительно равно-
мерном облучении и различные лучевые повреждения при не-
равномерном или местном облучении.
280
• При дозах до 10 Гр общего острого облучения развивается
типичная картина ОЛБ, характеризующаяся строгой перио-
дичностью клинического течения. Различают три периода в те-
чении ОЛБ — период формирования, период восстановления
и период исходов и последствий.
• Период формирования ОЛБ четко делится на четыре
фазы: фазу первичной реакции, фазу кажущегося клиническо-
го благополучия (скрытую или латентную фазу), фазу выра-
женных клинических проявлений (фазу разгара) и фазу ранне-
го восстановления.
• Степень тяжести ОЛБ определяется поглощенной дозой.
Развернутый симптомокомплекс ОЛБ возникает при дозах,
превышающих 1 Гр. При меньших дозах клинические проявле-
ния отсутствуют или отмечаются преходящие реакции со сто-
роны 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, развивает-
ся IV (крайне тяжелая) степень ОЛБ.
• Непосредственный исход ОЛБ определяют радиацион-
ные изменения, происходящие в основных критических систе-
мах (при дозах до 10 Гр) в системе кроветворения.
• Современные возможности терапии ОЛБ позволяют ут-
верждать, что при правильной оценке степени поражения кри-
тических систем, если в принципе возможно восполнение их
клеточного фонда, грамотно спланированное и тщательно осу-
ществленное лечение обеспечивает выживание не менее поло-
вины пострадавших, которые без него были бы обречены на ги-
бель.
• ХЛБ развивается в результате продолжительного облуче-
ния 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 возмож-
ность развития отдаленных последствий облучения.
ГЛАВА
1 5 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ИНКОРПОРИРОВАННЫХ
РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Радиобиологические принципы изучения вопросов радио-
токсикологии
Пути поступления и распределения радионуклидов в орга-
низме
Особенности поражения органов и систем отдельными ра-
дионуклидами и продуктами ядерного деления
Профилактика и терапия поражений инкорпорированными
радионуклидами
В атомную эру человек может подвергаться не только дополни-
тельному внешнему облучению, но и воздействию инкорпориро-
ванных радиоактивных веществ. Этот последний вид воздействия
в профессиональных условиях приобретает преимущественное
значение.
Количественной оценкой биологических эффектов, разви-
вающихся под влиянием поступивших в организм радиоактивных
химических элементов (радионуклидов), занимается самостоятель-
ная научно-практическая дисциплина — радиотоксикология. Ре-
шение ее вопросов находится в компетенции радиационных ги-
гиенистов и физиков-дозиметристов. Их детальное рассмотрение
изложено в монографиях Д.П. Осанова и И.А. Лихтарева (1977),
Ю.И. Москалева (1988), а также в обзоре Л.А. Булдакова и В. С. Ка-
листратовой (2001).Здесь будут рассмотрены лишь наиболее об-
щие аспекты проблемы, с тем чтобы показать, что ее изучение цели-
ком основано на радиобиологических принципах, учитывающих пре-
жде всего связь эффекта с дозой излучения, временем воздействия
и клеточно-кинетическими параметрами облучаемых органов и
систем.
Независимо от этого при оценке биологического действия
внутреннего облучения необходимо учитывать его особенности по
сравнению с эффектами внешнего общего облучения:
— Тропность конкретных радионуклидов к определенным ор-
ганам и тканям, которые в результате подвергаются наибольшему
облучению и поэтому становятся критическими.
282
— Неравномерность облучения вследствие различий в органо-
тропности радионуклидов, особенно с учетом микрораспределе-
ния поглощенной дозы; наиболее интенсивному облучению под-
вергаются органы поступления и основного депонирования ра-
дионуклидов. Исключение составляет их небольшая группа (l37Cs,
95Nb, 106Rb,210Po), обладающая относительно равномерным рас-
пределением.
— Протяженный характер облучения. Даже при однократном
поступлении радионуклида облучение происходит длительно,
иногда в течение всей жизни с постоянной или постепенно умень-
шающейся мощностью дозы, зависящей от его периода полурас-
пада.
15.1. Пути поступления радионуклидов в организм
Радиоактивные вещества могут поступать в организм тремя пу-
тями: с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, через легкие
и кожу.
Наиболее важным и потенциально опасным является ингаля-
ционное поступление радионуклидов. Этому способствует огром-
ная дыхательная поверхность альвеол, площадь которой ~ 100 м (в
50 раз больше, чем поверхность кожи).
Радиоактивность воздуха может быть обусловлена содержани-
ем в нем радиоактивных газов или аэрозолей в виде пыли, тумана
или дыма. Доля радионуклида, задержанная в дыхательной систе-
ме, зависит от размера частиц, минутного объема и частоты дыха-
ния.
Дальнейшая судьба отложившихся вдыхательных путях радио-
нуклидов также связана с размерами радиоактивных частиц, их
физико-химическими свойствами и транспортабельностью в ор-
ганизме. Хорошо растворимые вещества в основном быстро (де-
сятки минут) резервируются в кровеносном русле, а затем, в про-
цессе обмена веществ, откладываются в определенных органах и
системах организма или выводятся. Нерастворимые или слаборас-
творимые вещества, осевшие в верхних дыхательных путях, удаля-
ются из них вместе со слизью, после чего с большой вероятностью
поступают в желудочно-кишечный тракт, где резорбируются ки-
шечной стенкой. Частицы, осевшие в альвеолярной части легоч-
ной ткани, либо захватываются фагоцитами и удаляются, либо
мигрируют в лимфатические узлы, удаляясь из них в течение не-
скольких месяцев или лет.
283
При ингаляции нетранспортабельных и короткоживущих ра-
дионуклидов критическими по лучевой нагрузке становятся орга-
ны дыхания. Транспортабельные радиоактивные вещества с боль-
шим периодом полураспада в основном резорбируются в самой
легочной ткани, а частично заглатываются и попадают в кровенос-
ное русло при всасывании из кишечника.
Второй по значимости путь — поступление радионуклидов с
пищей и водой. Питательные вещества наряду с фоновыми кон-
центрациями естественных радиоактивных веществ могут быть за-
грязнены искусственными радионуклидами, которые из внешней
среды по биологическим пищевым цепочкам попадают в сельско-
хозяйственные растения, организмы животных и, в конце концов,
в продукты питания. Дальнейшая судьба радиоактивных веществ
зависит от их растворимости в жидкой среде желудочно-кишечно-
го тракта, характеризующейся в различных его участках разными
показателями pH. Так, например, многие растворимые соедине-
ния нуклидов, редкоземельных и трансурановых элементов, в ча-
стности плутония, при щелочном pH кишечника превращаются в
нерастворимые гидрооксиды. Напротив, относительно плохо рас-
творимые в воде вещества в желудочно-кишечном тракте превра-
щаются в растворимые компоненты, хорошо всасывающиеся в
кровь через эпителий кишечника. Именно поэтому Международ-
ная комиссия по радиационной защите (см. гл. 24) рекомендует
отказаться от термина «растворимость», заменив его термином
«транспортабельность».
В организм поступает лишь некоторая часть попавших в ки-
шечник радионуклидов, большая часть их проходит «транзитом» и
удаляется из кишечника.
Во время нахождения радиоактивных веществ в пищевари-
тельном тракте происходит облучение кишечника, причем корот-
копробежные а- или р-частицы облучают только его стенку, а
у-кванты достигают и других внутренних органов, расположенных
в брюшной полости и грудной клетке.
Таким образом, в случае поступления радиоактивных веществ
в организм с продуктами питания и водой, когда отдельные участ-
ки кишечника поглощают значительную часть энергии испускае-
мых частиц, желудочно-кишечный тракт становится критическим
органом.
Здесь уместно дать расширенное толкование критического ор-
гана по сравнению с определением, сделанным при описании ра-
284
диационных синдромов, возникающих в условиях внешнего облу-
чения (см. гл. 12).
Орган является критическим, если он: а) получает наибольшую
дозу или усваивает наибольшее количество радионуклидов; б) играет
наиболее важную роль (или необходим) для нормального функциони-
рования всего организма; в) обладает наибольшей радиочувствитель-
ностью, т. е. повреждается самой низкой дозой излучения по сравне-
нию с другими органами.
Вследствие различий клеточной радиочувствительности в пре-
делах одного органа, а также неоднородности распределения ра-
дионуклидов, а следовательно, и поглощенныхдоз в его отдельных
участках критическими могут оказаться отдельные участки органа
или его клеточные популяции, например базальный слой эпидер-
миса в коже, эпителий крипт кишечника, бронхиальный эпите-
лий, активные остеобласты скелета.
Наименее изучено поступление радиоактивных веществ через
кожу (транскутанно), которая до недавнего времени считалась для
них эффективным барьером, в связи с чем транскутанным про-
никновением радионуклидов через неповрежденные покровы
пренебрегали. Однако в последующем было установлено, что ра-
дионуклиды, как и другие вещества, в составе жидких и газообраз-
ных соединений проникают через кожу животных и человека дос-
таточно быстро в измеримых, а иногда и в значительных количест-
вах. Так, скорость проникновения в организм человека паров ок-
сида трития и газообразного йода через неповрежденную кожу
сравнима со скоростью проникновения этих веществ через дыха-
тельные пути, а количество плутония, проникающего в организм
вследствие загрязнения кожи его водорастворимыми соединения-
ми, не меньшее, чем при поступлении в желудок. При приеме ра-
доновой ванны в течение 20 мин в организм проникает через кожу
до 4% Rn.
Проницаемость кожи резко увеличивается при воздействии
многих химически активных веществ, например обезжиривающих
растворителей, особенно при повреждении рогового слоя эпидер-
миса, играющего главную роль в барьерной функции кожи. В про-
изводственных условиях из-за трещин, царапин и ссадин реальная
опасность поступления радионуклидов в организм через кожу воз-
растает.
285
Значительное влияние на интенсивность подкожного погло-
щения радионуклидов оказывают температура и влажность окру-
жающей среды.
Радионуклиды, проникающие транскутанно, создают опас-
ность облучения самой кожи и тех внутренних органов, куда они
доставляются с током крови. При оценке облучения кожи обычно
ограничиваются определением дозы, получаемой базальным сло-
ем эпидермиса, расположенным у человека на глубине 50—150
мкм, где сосредоточены стволовые и пролиферирующие клетки.
Однако в последнее время стала очевидной важность учета облуче-
ния и более глубоких слоев кожи, в зоне микроциркуляции крови
и лимфы, обеспечивающей нормальный обмен веществ в эпидер-
мисе.
Радиационные повреждения внутренних органов радионукли-
дами, проникшими через кожу, не отличаются по характеру от на-
блюдаемых при поступлении радиоактивных веществ через желу-
дочно-кишечный тракт и через легкие, так как они также опреде-
ляются, прежде всего, поглощенной дозой излучения и простран-
ственным распределением поглощаемой энергии.
15.2. Распределение инкорпорированных
радионуклидов в организме
«Судьба» поступивших в организм радионуклидов зависит от
их свойств и химической природы. Одни из них в виде растворов
удаляются с мочой, другие могут быть задержаны в организме на
различные сроки.
Существует три основных типа распределения радионуклидов
в организме — скелетный, ретикулоэндотелиальный и диффуз-
ный. Скелетный тип характерен для нуклидов щелочноземельной
группы элементов — Са, Sr, Ba, Ra, накапливающихся в мине-
ральной части скелета, а также для некоторых соединений плуто-
ния и тория, задерживающихся в костной ткани. Ретикулоэндоте-
лиальное распределение присуще нуклидам редкоземельных эле-
ментов — Се, Рг, Рт, а также Zn, Th, Am и трансурановым элемен-
там. По диффузному типу распределяются щелочные элементы —
К, Na, Cs, Rb, атакже нуклиды Н, N, С, Рои некоторых других эле-
ментов. Известны отдельные случаи высокой избирательности
распределения. Так, изотопы йода накапливаются исключительно
в щитовидной железе.
286
Очевидно, что «органотропные» радионуклиды опаснее «диф-
фузных», так как их концентрации в тканях, а следовательно, и
тканевые дозы при прочих равных условиях всегда имеют боль-
шую величину1.
В процессе транспорта радионуклиды задерживаются в тканях,
содержащих в своем составе аналогичные по химическим свойст-
вам стабильные элементы. Так как химический состав важнейших
органов и тканей человека в настоящее время изучен достаточно
хорошо, с определенной вероятностью можно предсказать, в ка-
кие ткани или органы попадет тот или иной радионуклид.
Процесс перехода радионуклидов из межклеточной жидкости
в органы завершается в течение определенного отрезка времени,
истинное значение которого пока неизвестно, но эксперимен-
тальные данные свидетельствуют о том, что оно невелико. Так,
плазма крови очищается от переходящих в скелет Сг и Са за
4—10 ч. Иод обнаруживается в щитовидной железе уже через не-
сколько минут после внутривенного введения, а полный переход
его из крови в щитовидную железу заканчивается в течение
10—15 ч. Уран выводится из крови за 12 ч.
Кроме описанного макрораспределения радионуклидов в ор-
ганизме, необходимо учитывать их микрораспределение в различ-
ных органах и тканях. Методом авторадиографии было показано,
что остеотропные элементы, такие как Sr и Ra, накапливаются
преимущественно в растущих участках трубчатых костей — мета-
физах и эпифизах, распределяясь там неравномерно и образуя так
называемые горячие пятна. Локальные неоднородности распреде-
ления отмечаются и для других радионуклидов, например, для Ри
и Th — в легких, скелете, печени, а для I — в щитовидной железе.
Неоднородность распределения излучателя в ткани влияет на
величину и мощность тканевой дозы, что особенно существенно,
если тканевые микроструктуры с повышенной концентрацией из-
лучателя имеют высокую радиочувствительность, а пробеги ис-
пускаемых им частиц сравнимы с линейными размерами этих
микроструктур.
Значительные неоднородности распределения тканевых доз
наблюдаются вокруг радиоактивных частиц в органах дыхания, в
1 Здесь речь идет о поступлении в организм относительно небольших коли-
честв радионуклидов, возможном в производственных условиях. В случае острой инток-
сикации, вызванной большими количествами радиоактивных веществ, диффузный тип
распределения приводит к острой лучевой болезни со всеми вытекающими последст-
виями.
287
этом случае отношение Z>ma4/Dmjn оказывается порядка нескольких
сотен. Следствием больших неоднородностей микрораспределе-
ния радионуклидов в ткани являются специфически формирую-
щиеся патологические процессы, например, цирроз печени, очаги
склероза в легких и изменения в костной ткани, в том числе разви-
тие остеосарком.
15.3. Радиобиологическая оценка поражений
инкорпорированными радионуклидами
Для количественной оценки уровня внутреннего облучения,
как и в случаях внешнего воздействия, используют поглощенную
дозу, выраженную в греях, с учетом коэффициентов ОБЭ. Однако
следует помнить все ограничения применимости концепции ОБЭ,
описанные в гл. 9. Применительно к воздействию инкорпориро-
ванных радионуклидов это особенно важно, ибо специфика внут-
реннего облучения, связанная с резко выраженной неравномерно-
стью их распределения, сильно затрудняет использование ОБЭ.
Исключение составляют случаи равномерного распределения ра-
дионуклидов во всех тканях организма или их накопления в орга-
нах, доступных для изолированного внешнего облучения.
При оценке малых уровней облучения, ограниченных обла-
стью радиационной защиты, используют эквивалентную дозу, рас-
считываемую с помощью модифицирующих коэффициентов,
учитывающих, прежде всего, характерные для тех или иных ин-
корпорированных радионуклидов концентрационные и времен-
ные условия формирования тканевых доз.
При попадании в организм больших количеств радиоактивных
веществ, что чаще всего происходит в чрезвычайных условиях,
развивается острое лучевое поражение, особенности которого оп-
ределяются специфическими чертами инкорпорированного нук-
лида. Например, при инкорпорации радиоактивных изотопов
фосфора или натрия, отличающихся относительно коротким пе-
риодом полураспада, равномерным распределением и достаточно
жестким излучением, возникает типичная острая лучевая болезнь,
не отличающаяся от развивающейся при внешнем общем облуче-
нии. При попадании органотропных радионуклидов разыгрыва-
ются различные варианты лучевого поражения с преимуществен-
ными проявлениями в тканях (где дозовая нагрузка максимальна),
которые в этом случае становятся критическими.
288
Существенная особенность поражений при внутреннем облу-
чении состоит в том, что особую опасность в таких случаях приоб-
ретают радионуклиды тяжелых элементов, испускающие не толь-
ко р-, но и а-частицы. Обладая высокой ОБЭ, эти виды излучения,
несмотря на малую проникающую способность, вызывают тяже-
лые повреждения эндотелия и эпителия воздухоносных путей и
кишечника, в которых они оставляют всю свою энергию. Кроме
того, в отличие от внешнего облучения, когда роль организма пас-
сивна, при инкорпорированном воздействии организм играет ак-
тивную роль в формировании тканевых доз из-за транспортных и
метаболических процессов, обусловливающих накопление и вы-
ведение радионуклидов из определенных органов и тканей.
Существуют трудности, связанные с дозиметрией излучения
инкорпорированных радионуклидов, главной задачей которой яв-
ляется исследование пространственного и временного распреде-
ления поглощенной дозы с учетом ЛПЭ и распределения радио-
нуклидов по всем тканям и органам. Эта задачи может быть реше-
на при сопоставлении теоретического и экспериментального оп-
ределения количества радионуклидов в организме, а также
особенностей их поведения в зависимости от анатомо-физиологи-
ческих параметров отдельных тканей, органов и систем с учетом их
цитокинетических характеристик.
15.4. Особенности поражений продуктами
ядерного деления
Наибольшее практическое значение имеет изучение различ-
ных аспектов биологического действия различных инкорпориро-
ванных радионуклидов, попадающих в организм человека в про-
фессиональных условиях. Наряду с этим, однако, в чрезвычайных
обстоятельствах военного времени, а также в аварийных случаях в
результате взрыва ядерного устройства может возникнуть пораже-
ние попавшими в организм продуктами ядерного деления (ПЯД),
патогенез и клиника которых имеют свои особенности.
ПЯД представляют собой смесь более чем 200 радиоактивных
изотопов 36 элементов средней части (от Zn до Gd) периодической
системы Д.И. Менделеева. Поступая в организм, они в процессе
обмена заменяют стабильные элементы и при распаде образуют
нуклиды соседних групп периодической системы. Такие трансму-
тационные эффекты, а также возможность химических перестроек
в результате радиоактивной отдачи, происходящей прй эмиссии
289
а-частиц и нейтронов, определяют некоторое своеобразие биоло-
гического действия ПЯД, которое в основном зависит от погло-
щенной дозы в органах преимущественного распределения радио-
нуклидов, а также времени их полураспада и скорости выведения.
По способности накапливать радионуклиды основные органы рас-
полагаются следующим образом: щитовидная железа (максимум),
печень, кишечник, почки, скелет, мышцы.
Уровень радиоактивности нуклидов в организме быстро сни-
жается в результате распада короткоживущих изотопов. Так, в
опытах на собаках показано, что уже через несколько часов после
введения ПЯД в «возрасте» 6—8 ч уровень радиоактивности сни-
жается до нескольких процентов от исходного, через 1 мес — до
1%, а через 3 мес — до десятых долей процента. В ближайший пе-
риод после ядерного взрыва в ряде случаев возможно поступление
«молодых» ПЯД с пищей и водой, как это, например, произошло в
марте 1954 г., когда после термоядерного испытания на одном из
атоллов в пищеварительный тракт жителей Маршалловых остро-
вов поступило около 100 МБк ПЯД. Их содержание к 82-му дню
снизилось в 57 раз.
По скорости выведения нуклидов органы располагаются несколь-
ко иначе: щитовидная железа (максимум), печень, почки, селезенка,
кожа, мышцы, скелет.
В результате быстро меняется и дозовая нагрузка, причем раз-
личия в поглощенных дозах в органах значительны (от 10 до 103
раз). Например, при введении ПЯД в «возрасте» 36 ч собакам соот-
ношение поглощенных доз в щитовидной железе, кишечнике, пе-
чени и скелете составляет соответственно 1000:100:10:1. В самих
органах, как свидетельствуют данные радиоавтографии, радио-
нуклиды накапливаются также неравномерно, поэтому с учетом
микрораспределения различия увеличиваются. Наконец, в фор-
мировании дозовых нагрузок принимают участие радионуклиды,
циркулирующие в крови, что играет большую роль в период ре-
зорбции ПЯД, особенно для органов с интенсивным кровоснаб-
жением.
Исходами острого поражения ПЯД могут быть клиническое
выздоровление (через 2—3 мес), переход болезни в хроническую
форму или смерть. Причиной смерти являются, прежде всего, по-
вреждения желудочно-кишечного тракта и органов дыхания, при-
водящие к обезвоживанию организма, потере солей и интоксика-
ции. Деструктивные изменения в других органах способствуют
развитию острой сосудистой недостаточности.
290
Восстановительные процессы начинаются сразу же после по-
ступления ПЯД в организм, однако они протекают в условиях про-
должающегося облучения, вследствие чего их интенсивность на-
ходится в сложной зависимости от ряда факторов, характеризую-
щих физические свойства нуклидов и состояние организма.
Естественно, что исход поражения инкорпорированными ра-
дионуклидами любой природы прежде всего зависит от эффектив-
ности выведения их из организма, на что в основном и направлены
лечебные мероприятия.
15.5. Профилактика и лечение поражений
инкорпорированными радионуклидами
Поражение организма инкорпорированными радионуклида-
ми может произойти в основном в условиях ядерного взрыва и
лишь в крайне редких случаях в производственных условиях. По-
этому здесь будут коротко рассмотрены мероприятия, направлен-
ные на уменьшение поражений, вызываемых попаданием радио-
активных веществ на примере ПЯВ.
При попадании ПЯД (и любых других радионуклидов) внутрь
предусматривается максимально раннее использование методов и
средств, направленных на снижение их всасывания и ускорение
выведения из организма нерезорбированных в желудке и кишеч-
нике радионуклидов.
Те же меры показаны и при ингаляционном поступлении, ибо
более половины радиоактивных веществ, попавших в органы ды-
хания в течение одного часа, ретроградным путем перемещается в
полость рта, а затем заглатывается [Ильин Л.А. и др., 1975].
К числу таких мероприятий относятся: прием препаратов, сор-
бирующих радионуклиды, промывание желудка, назначение соле-
вых слабительных (касторовое масло усиливает всасывание радио-
нуклидов), а в последующем сифонных и обычных клизм, так как
ПЯД могут длительно (до 1 сут и более) находиться в толстом ки-
шечнике.
В качестве сорбентов используют адсорбар, полисурьмин, вы-
соко окисленную целлюлозу, альгинат кальция, ферроцин и дру-
гие препараты1.
1 Конкретные рекомендации и детальное описание всех мероприятий по про-
филактике и лечению поражений радионуклидами содержатся в книге «Неотложная
помощь при острых радиационных воздействиях» под редакцией Л.А. Ильина (1976).
291
Кроме того, медицинские мероприятия должны быть направ-
лены на замену радионуклидов стабильными изотопами на всех
этапах их метаболизма: в местах поступления, в процессе транс-
порта по кровеносной системе, в органах и тканях и на этапе выве-
дения их из организма через почки и пищеварительный тракт. К
числу таких мероприятий относится раннее, а еще лучше заблаго-
временное применение стабильного йода в виде KI с целью уско-
рения выведения 1311 — одного из биологически важных компо-
нентов ПЯД. Чрезвычайная важность своевременной и правиль-
ной йодной профилактики будет рассмотрена при анализе радио-
логических последствий аварии на ЧАЭС (см. гл. 23).
Кроме того, осуществляется ряд мероприятий организацион-
но-технического и санитарно-экологического порядка (обработка
и дезактивация кожных покровов, молока и т. д.), рассмотрение
которых выходит за рамки данной книги.
В заключение необходимо отметить, что лечение острого луче-
вого синдрома, развивающегося при облучении критических систем
радионуклидами, основано на тех же принципах, что и терапия пора-
жений после внешнего радиационного воздействия с применением до-
полнительных специфических мероприятий, обусловленных особен-
ностями распределения и накопления радионуклидов в организме.
РЕЗЮМЕ
• Радиоактивные вещества (радионуклиды) поступают в
организм тремя путями — с пищей и водой в желудочно-ки-
шечный тракт (внутрь), с вдыхаемым воздухом в легкие (инга-
ляционно) и через кожу (транскутанно).
• При инкорпорированном облучении критическим ока-
зывается орган, который получает наиболее высокую погло-
щенную дозу или усваивает наибольшее количество радионук-
лидов, играет определяющую роль в нормальном функциони-
ровании организма, обладает наибольшей радиочувствитель-
ностью.
• При оценке уровня внутреннего облучения используют
тканевую поглощенную дозу, выраженную в греях с учетом ко-
эффициентов ОБЭ (памятуя об ограничениях применимости
концепции ОБЭ).
• Особую опасность при инкорпорированном воздействии
приобретают радионуклиды тяжелых элементов, испускаю-
щих не только р-, но и а-частицы. Несмотря на малую прони-
292
кающую способность, эти излучения, обладая высокой ОБЭ,
вызывают тяжелые повреждения эндотелия и эпителия возду-
хоносных путей и кишечника, в которых они расходуют всю
свою энергию.
• При оценке низких уровней облучения, ограниченных
областью радиационной защиты, используют эквивалентную
дозу, которую рассчитывают с применением модифицирую-
щих коэффициентов, учитывающих специфические для ин-
корпорированных радионуклидов концентрационные и вре-
менные условия формирования тканевых доз.
• Исход поражения любыми инкорпорированными радио-
нуклидами прежде всего зависит от скорости и эффективности
выведения их из организма, на повышение которых и направ-
лены соответствующие лечебные мероприятия.
1 zT ГЛАВА
1 О ОПОСРЕДОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ
ОБЛУЧЕНИЯ. НАРУШЕНИЕ ОБМЕНА
ВЕЩЕСТВ. ИЗМЕНЕНИЯ
В НЕКРИТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
ОРГАНИЗМА
Опосредованные реакции в необлученных тканях организма
Дистанционные эффекты облучения в системе кроветворе-
ния и некритических системах
Угнетение иммунитета
Изменения основных биохимических процессов обмена ве-
ществ на разных этапах лучевого поражения организма
16.1. Опосредованные и дистанционные
эффекты облучения
При рассмотрении клеточной радиобиологии и особенно ра-
диационных эффектов в организме неоднократно были описаны
проявления различных лучевых реакций, которые не могли быть
объяснены с позиций непосредственного действия ионизирующе-
го излучения. Наиболее яркий пример такого рода опосредован-
ных реакций — известное с давних пор болезненное состояние па-
циентов, подвергающихся локальному радиационному воздейст-
вию при лучевой терапии, которое по сходству с алкогольной ин-
токсикацией организма получило название рентгеновского
похмелья (нем. Rontgen Kater).
Независимо от конкретных механизмов первичная реакция,
развивающаяся при общем облучении или при массированном об-
лучении определенных сегментов тела, тоже не может быть объяс-
нена повреждением критических систем и, следовательно, также
требует признания ее опосредованного характера.
Не поддаются объяснению и локальные тканевые реакции, на-
пример ранняя преходящая эритема кожи, развивающаяся совер-
шенно независимо от повреждения эндотелия сосудов и тем более
от повреждения клеток кожи, так как она появляется задолго до
этих изменений.
294
Все это свидетельствует о том, что в облученном организме наря-
ду с непосредственными радиационными повреждениями одних тка-
ней, органов и систем возникают реактивные (или взаимосвязан-
ные), опосредованные изменения в других системах, которые не под-
вергались непосредственному радиационному воздействию.
Существование опосредованных радиационных влияний тре-
бует учета их определенного участия в любых лучевых реакциях,
включая реакции клеточных популяций, подвергающихся локаль-
ному облучению в организме и находящихся под контролем его ре-
гулирующих систем и гуморальных факторов. Отсюда возникает
задача расчленения непосредственного и опосредованного компо-
нента в реакциях организма на облучение на всех уровнях органи-
зации, решение которой усложняется по мере усложнения объекта
излучения.
Далеко не просто отнести многочисленные функциональные,
биохимические и даже структурные нарушения органов и тканей к
той или иной категории непосредственных или опосредованных
реакций в организме. Во многих случаях эти вопросы пока еще яв-
ляются предметом дискуссии и дальнейшего изучения. Останав-
ливаясь лишь на отдельных сторонах данной проблемы, прежде
всего, во избежание недоразумений в понимании ее сути, необхо-
димо коротко рассмотреть вопросы терминологии.
Иногда непосредственные и опосредованные эффекты иони-
зирующих излучений обозначают соответственно как прямое и не-
прямое, или первичное и вторичное действие. Использование этих
терминов для обозначения непосредственных и опосредованных
лучевых реакций нецелесообразно, так как в радиобиологии им
придается другой, физико-химический смысл (см. гл. 5).
Кроме того, часто опосредованное действие излучений назы-
вают дистанционным, поскольку во многих случаях регистрируе-
мые эффекты проявляются вне облученных тканей1. Однако эти
понятия нельзя считать синонимами. Их значения могут совпа-
дать, если рассматривать изменения вне облученного поля, так как
в этом случае опосредованное влияние одновременно является и
дистанционным. Повреждение же облученных клеток и тканей
может быть не только непосредственным, но и опосредованным,
или является интегральной реакцией, включающей дистанцион-
ное влияние в качестве одного из компонентов.
1 В иностранной литературе этому термину соответствует выражение abscopal
effect (отлат. ab — приставка, обозначающая удаление; scopes — цель, мишень).
295
Иными словами, дистанционное действие всегда опосредо-
ванное, но опосредованное — не всегда дистанционное. Поэтому
термин «опосредованное» действие радиации правильнее выража-
ет сущность описываемого явления и поэтому заслуживает пред-
почтение.
16.2. Опосредованное действие ионизирующих
излучений на кроветворение
Распространенным способом выявления опосредованных, а
именно дистанционных эффектов ионизирующих излучений на
кроветворение является локальное облучение какого-либо сег-
мента тела с последующим сравнительным наблюдением за со-
стоянием кроветворения в облученном и экранированном контра-
латеральном участках.
Результаты экспериментов на животных разных видов показа-
ли, что гибель и исчезновение клеток костного мозга происходят
не только в облученных, но и в экранированных зонах, где они вы-
ражены, однако, в значительно меньшей степени.
На рис. 16.1 приведена изученная в нашей лаборатории дина-
мика опустошения костного мозга 300 крыс в течение первых 48 ч
после облучения. Видно, что в экранированной голени наблюда-
лось уменьшение общего числа клеток костного мозга уже через
1,5—3 ч после облучения; эффект достигал максимума (~25%) к
6-му часу и сохранялся на этом уровне до конца наблюдения.
Рис. 16.1. Динамика клеточно-
го опустошения костного моз-
га крыс, подвергнутых субто-
тальному (одна конечность эк-
ранирована) рентгеновскому
облучению в дозе 10 Гр (по
А.Л. Выгодской, 1967):
7 — облученный костный мозг;
2—экранированный костный мозг;
3 — костный мозг при мнимом об-
лучении (контроль)
296
Не исключено, что в первые три часа значительная часть эф-
фекта является результатом стресса, вызванного самой процеду-
рой облучения, о чем свидетельствуют результаты специальных
опытов, проведенных на 190 крысах, подвергнутых мнимому облу-
чению с выполнением всех связанных с ним процедур (см. рис.
16.1, кривая 5). Однако если влияние процедурного стресса и про-
является, то лишь в первые часы после воздействия; в поздние же
сроки им можно пренебречь, ибо эффект мнимого облучения сни-
жается к 6-му часу, а через 24 ч число клеток костного мозга воз-
вращается к норме.
При анализе изменений числа клеток разных ростков в экра-
нированном участке костного мозга установлено, что причинами
его опустошения являются: перераспределение отдельных фор-
менных элементов, подавление процессов клеточного деления
{при продолжающемся выходе зрелых клеток на периферию) и гибель
наиболее радиочувствительных элементов (эритробластов, мие-
лобластов и лимфоцитов).
Существуют и другие данные, свидетельствующие о дистанци-
онном влиянии облучения на кроветворение, например, об увели-
чении числа клеток с хромосомными аберрациями в экранирован-
ном костном мозге мышей [Варакина Н.Ф., Янушевская М.Н.,
1966] и крыс [Керкис Ю.М. и др., 1964] после введения им ткане-
вого экстракта облученных животных. Показательны также на-
блюдавшиеся многими авторами более выраженные изменения
биохимических и морфологических показателей в костном мозге и
селезенке при тотальном облучении по сравнению с локальным.
В настоящее время практически отсутствуют данные, свиде-
тельствующие об опосредованном влиянии облучения на перифе-
рическую кровь. Имеющиеся суждения на этот счет основаны на
неправильной интерпретации лимфопении, наблюдаемой при ло-
кальном облучении, которой без достаточных оснований припи-
сывают дистанционную природу. На самом деле причина лимфо-
пении в этих случаях определяется быстрой апоптотической гибе-
лью наиболее радиочувствительных лимфоцитов, подвергающих-
ся транзиторному облучению в токе крови при прохождении по
сосудам через зону облучения.
Приведенные данные о дистанционном действии ионизирую-
щих излучений на кроветворение дают основание считать, что оно
вносит определенный вклад в изменения, наблюдаемые и в облу-
ченных участках кроветворных тканей как при локальном, так и
при тотальном облучении. Об этом же свидетельствует усиление
выраженности дистанционного влияния с увеличением объема
297
облучаемых тканей. Следовательно, такие изменения правильнее
назвать опосредованными, тем более что в их формировании, оче-
видно, принимают участие регулирующие системы организма, в
первую очередь центральная нервная и эндокринная системы, что
особенно характерно при формировании функциональной непол-
ноценности кроветворения в отдаленные сроки после облучения
(см. гл. 17).
Оценивая относительную роль опосредованного компонента в
общем эффекте лучевого поражения кроветворения, следует от-
вести ему второстепенное значение по сравнению с непосредст-
венным повреждением. Об этом свидетельствуют результаты экс-
периментов, показавшие резкое повышение выживаемости облу-
ченных животных при экранировании незначительных участков
костного мозга или при ослаблении их поражения созданием
аноксии, например, наложением лигатуры на конечности (см.
гл. 19).
Следовательно, ведущую роль в лучевом поражении кроветворе-
ния играют процессы, непосредственно протекающие в микрострук-
турах облучаемых клеток.
16.3. Нарушения в некритических системах
облученного организма
К числу нарушений в условно называемых некритическими
(не ответственными за исход лучевого поражения организма) сис-
темах относят изменения в ЦНС, органах чувств, эндокринной и
сердечно-сосудистой системах, печени, органах выделения, сис-
теме дыхания, органах размножения, костно-мышечной и других
соматических системах. Это не исключает, однако, возможной
роли изменений в этих системах в процессах пострадиационного
восстановления организма, а также в формировании отдаленных
последствий облучения. Более того, во многих случаях такого рода
нарушения приобретают решающее значение, в связи с чем, как
было показано на многочисленных примерах в гл. 12—15, понятие
радиоустойчивости в отношении этих систем следует понимать
как достаточно условное.
Не случайно в последние годы повысилось внимание многих
исследователей к нарушениям, возникающим в различных ста-
бильных (в цитокинетическом отношении) высокодифференци-
рованных тканях. Это и понятно, ибо теперь, когда большое число
вопросов патогенеза острого лучевого синдрома изучено достаточ-
298
но подробно, выявились «белые пятна» в результате своеобразных
«находок» как в эксперименте, так и в клинике, свидетельствую-
щих о весьма существенных для организма нарушениях, «неожи-
данно» регистрируемых в той или другой «не радиочувствитель-
ной» системе.
Такие «находки» в виде функциональных нарушений обнару-
жены практически во всех органах и системах животных и челове-
ка (речь не идет о таких стойких органических поражениях, обна-
руживаемых в поздние сроки, как нефросклероз, пневмосклероз и
т.п.). Поэтому здесь будут приведены лишь примеры нарушений в
сердечно-сосудистой системе (к которой привлечено особое вни-
мание в связи с развитием радиоангиокардиологии).
В нескольких докладах на V Международном конгрессе по ра-
диационным исследованиям было обращено внимание на возник-
новение ранних изменений в сердце и сосудах. В одном из докла-
дов показано, что при облучении перфузируемых препаратов серд-
ца кроликов сокращаемость миокарда подавлялась, начиная с
дозы 9 Гр, кровоток в коронарных сосудах уменьшался уже при
дозе 3 Гр, а по достижении 17 Гр изучаемые показатели снижались
на 48 и 61%, соответственно.
В другом докладе были продемонстрированы два типа механи-
ческих реакций на облучение, возникающих в сосудах: 1 — немед-
ленный ответ (латентное время — несколько секунд) — тониче-
ские мышечные сокращения, обратимые через несколько минут (в
аорте крыс и лягушек) и полуобратимые (в аорте кролика) при до-
зах 2,5—10 Гр, а при дозах 10—30 Гр — обратимая немедленная ре-
лаксация почечной артерии крыс и кроликов; 2 — поздние (латент-
ное время — несколько минут) и очень медленные (максимум 1 ч и
более) тонические сокращения большой продолжительности
(> 3 ч) аорты и легочной артерии морских свинок, голубей и цып-
лят после облучения в дозе ~ 30 Гр.
Было также сообщено о развитии отечности мышечной стенки
аорты у кроликов (после облучения в дозах 8 и 10 Гр; регистрация с
помощью световой микроскопии), предшествовавшей другим ви-
димым изменениям; затем в основном веществе появлялись дис-
кретные кальциевые гранулы, число и размеры которых со време-
нем увеличивались. При электронной микроскопии обнаружива-
лись изменения в vasa vasorum, дегенерация мышечных клеток и
кальцификация миофибрилл.
Весьма показательны данные клинических наблюдений за
больными лимфогранулематозом (81 чел.), подвергавшимися еже-
дневному у-облучению 60Со в области грудной клетки (средняя
299
доза на область сердца за 22—35 сеансов ~ 45 Гр). В 92% случаев че-
рез 12 мес после окончания лечения появились симптомы выпот-
ного перикардита, причем у 24 больных выпот в перикарде был об-
наружен рентгенологически. 11 больным была проведена катете-
ризация отделов правой половины сердца для подтверждения на-
личия выпота. У 14 больных выпот был преходящим, 5 больным из
11 произведено рассечение перикарда из-за тампонады сердца.
Механизмы пострадиационного перикардита остались невыяс-
ненными.
Внимание к изменениям сердечно-сосудистой системы, как и
других высокодифференцированных органов и систем, особенно
ЦНС и эндокринной системы, впервые было привлечено россий-
скими исследователями. Это самые ранние работы И.Ф. Тархано-
ва и последующие широко известные экспериментальные иссле-
дования Л.А. Орбели, А.В. Лебединского, П.Д. Горизонтова,
М.Н. Ливанова, Н.Н. Лифшиц, Ю.Г. Григорьева, С. Н. Александ-
рова, а также клинические наблюдения М.И. Неменова,
М.П. Домшлака и А.К. Гуськовой.
16.4. Угнетение иммунитета
Изменениям, которые происходят в иммунной системе, зани-
мающей промежуточное место между критическими и некритиче-
скими системами организма, принадлежит особая роль в патоге-
незе лучевой болезни. Частично они рассматривались, например,
при анализе причин инфекционных осложнений ОЛБ, а времен-
ная толерантность (вследствие массовой гибели лимфоцитов,
являющихся иммунокомпетентными клетками) — при описа-
нии основ трансплантационной терапии лучевого синдрома
(см. гл. 13).
Наиболее демонстративным проявлением радиационного повре-
ждения иммунитета признаны иммунодефицит и повышение чувст-
вительности к возбудителям инфекционных заболеваний, сопровож-
дающиеся количественными и качественными изменениями нор-
мальной микрофлоры организма, в частности кишечника.
Причинами иммунодепрессии и иммунодефицита, развиваю-
щихся вскоре после облучения, являются гибель, повреждение
функции и миграционных свойств лимфоцитов, а также наруше-
ние количественного соотношения субпопуляций лимфоцитов и
их функциональных взаимодействий. Как показали работы
А.А. Ярилина (1981), изучавшего клеточные механизмы действия
300
радиации на иммунитет, нарушение нормальных количественных
соотношений субпопуляций лимфоцитов обусловлено их различ-
ной радиочувствительностью: В-клетки более радиочувствитель-
ны, чем Т-клетки; Т2-лимфоциты и кортизончувствительные
формы поражаются сильнее, чем соответственно Т-лимфоциты и
кортизонустойчивые. Однако численность В-клеток восстанав-
ливается быстрее, чем численность Т-клеток. В результате соз-
дающийся сразу после облучения относительный избыток Т-кле-
ток сменяется периодом, когда иммунный ответ лимитирует их
численность. Это определяет различную эффективность введения
Т- и В-клеток в разные сроки после облучения.
Основное проявление индуцируемого облучением миграцион-
ного дефекта лимфоцитов, разумеется, кроме резкого уменьшения
их численности, состоит в нарушении способности выживших
циркулирующих клеток проникать в лимфатические узлы. Нару-
шение миграции Т-лимфоцитов в лимфатические узлы — очень
устойчивый радиационный эффект, вследствие которого замедля-
ется темп восстановления численности Т-клеток и уровня тимус -
зависимого ответа, что составляет причину позднего иммуноде-
фицита.
Нормализация функции лейкоцитов осуществляется парал-
лельно с восстановлением их численности и связана, вероятно, с
замещением переживших облучение клеток вновь образованны-
ми. Параллельно с восстановлением функции Т- и В-клеток нор-
мализуется их способность к кооперации.
Значительно менее выражены клеточные нарушения иммуни-
тета при местном облучении, в частности при лучевой терапии
опухолей. В этом случае активно циркулирующие Т-клетки пора-
жаются в большей степени, чем слабо рециркулирующие В-клет-
ки, что легко объяснить, ибо наблюдающаяся лимфопения при ло-
кальном облучении является, как упоминалось, следствием быст-
рой апоптотической гибели лимфоцитов, проходящих с током
крови через зону облучения.
Таковы основные причины и механизмы клеточных аспектов
иммунологической депрессии, возникающей после облучения.
Нарушение антимикробного иммунитета и связанные с ним
инфекционные осложнения можно рассматривать и как следствие
повышения проницаемости тканевых барьеров, нарушения фаго-
цитарной способности клеток ретикулоэндотелиальной системы
и угнетения неспецифических бактерицидных систем организ-
ма — пропердина, лизоцима, бактерицидных субстанций ряда
тканей, а также бактерицидности кожи. Кроме того, облучение уг-
301
Действие
радиации
Рис. 16.2. Последовательность процессов, связанных с изменением антиген-
ных свойств тканей и циркуляцией тканевых антигенов после облучения
(по Р. В. Петрову, 1962)
нетает образование новых антител, хотя если оно произведено по-
сле иммунизации, то это почти не сказывается на их продукции.
Определенное значение в иммунологических расстройствах
имеют развивающиеся в облученном организме аутоиммунные
процессы, изучение которых составляет самостоятельный раздел
неинфекционной иммунологии.
Аутоантигенами в принципе могут быть как нормальные, так и
патологически измененные белки и связанные с ними вещества.
После облучения создается реальная возможность столкновения
организма с аутоантигенами обоих видов вследствие быстро раз-
вивающейся тканевой деструкции, резкого повышения проницае-
мости биологических барьеров и изменения антигенных свойств
тканей.
На рис. 16.2 представлена схема, иллюстрирующая возможные
патологические сдвиги в облученном организме, связанные со
302
структурными изменениями тканевых антигенов и их циркуля-
ции. После облучения происходит утрата части нормальных анти-
генов и появление новых антигенных качеств. Кроме того, леталь-
ные повреждения клеток могут обусловить появление новых анти-
генных свойств белков. Потеря части нормальных антигенов, оз-
начающая утрату определенных структур, может быть причиной
нарушения определенных функций клеток и органов. Это, а также
клеточная деструкция и циркуляция в крови тканевых антигенов
способствуют развитию токсемии. Кроме того, циркуляция в кро-
ви тканевых антигенов приводит к иммунологической перестрой-
ке организма — сенсибилизации и образованию антител двух ви-
дов — против денатурированных белков и против аутотканей. Уже
в момент появления антигенной чужеродности измененные белки
могут быть причиной патологической афферентной импульсации,
которая в дальнейшем, воздействуя на хеморецепторы, обеспечи-
вает патологическое влияние через нервную систему.
Таким образом, в настоящее время твердо установлены факты,
характеризующие все этапы аутоиммунологических изменений в об-
лученном организме: образование аутоантигенов, их циркуляцию, по-
явление аутоантител и аутосенсибилизацию.
Н.Н. Клемпарская, известный исследователь в этой области,
отражая собственную точку зрения, сильно преувеличивает, на
наш взгляд, роль аутоаллергии в патогенезе лучевой болезни, ко-
торая рассматривается как своеобразное аутоиммунное заболева-
ние, характеризующееся «...сильной направленностью реакций
против распада собственных тканей в сторону сенсибилизации.
Именно это придает болезни особенно тяжелый характер и может,
в частности, быть причиной развития некротических процессов и
геморрагий».
Признавая определенную роль аутоиммунных процессов в па-
тогенезе непосредственных и отдаленных последствий облучения
организма, следует помнить, однако, что первопричины острого лу-
чевого синдрома состоят в клеточных утратах в основных критиче-
ских системах клеточного обновления.
Изменениям иммунитета у облученных людей могут способст-
вовать, кроме аутоиммунных, развитию аллергических заболева-
ний, злокачественных новообразований и хронизации воспали-
тельных процессов.
До недавнего времени основные сведения о радиационно-ин-
дуцированных нарушениях иммунитета у человека ограничива-
лись данными наблюдений за людьми, перенесшими атомную
бомбардировку в Японии, и отдельными случаями острого ава-
303
рийного облучения. И только в последние годы прошедшего сто-
летия мировой научной общественности стали доступны рассек-
реченные сведения1 об авариях, имевших место в 50-х годах на
крупнейшем предприятии атомной промышленности СССР, про-
изводственном объединении «Маяк», расположенном в Челябин-
ской области.
В значительной мере эти аварии явились следствием отсутст-
вия надлежащего опыта и знаний в обращении с радиоактивными
отходами, в большом количестве образующимися при получении
оружейного плутония, а также характерного для той эпохи форси-
рования далеко не совершенного в то время технологического
процесса. С 1949 по 1956 г. значительную часть сточных вод, со-
держащих большое количество радиоактивных веществ, удаляли в
реку Теча. Это привело к радиоактивному загрязнению водной
системы Теча — Исеть — Тобол — Иртыш — Обь и облучению
жителей прибрежных населенных пунктов. Период 1951 — 1955 гг.
определяет ~ 98% всей сброшенной активности при средней ак-
тивности 4300 Ки/сут, не считая непредусмотренные «дикие»
сбросы, величину которых не регулировали и не контролировали.
Активность при таких «диких» сбросах достигала 100 000 Ки/сут.
Кроме того, 29 сентября 1957 г. произошел термохимический
взрыв емкости — хранилища радиоактивных отходов, который
привел к радиоактивному загрязнению значительной территории
Уральского региона (Восточно-Уральский радиоактивный след,
ВУРС) и облучению населения.
В результате этих аварийных событий подверглись многолет-
нему внешнему и внутреннему облучению в широком диапазоне
доз десятки тысяч людей обоего пола, разного возраста (в том чис-
ле облученные внутриутробно), принадлежащие к двум основным
этническим группам — русской и башкиро-татарской.
Дозообразующими радионуклидами при сбросе сточных вод
были 89Sr, 9°Sr и I37Cs, основными из которых являлись два послед-
них долгоживущих радионуклида. Состав аварийного выброса при
взрыве был представлен большим количеством радионуклидов, но
1 Детальное описание медицинских последствий аварий на Южном Урале
приведено в трех монографиях: Аклеев А.В., Косенко М.М., Кристинина Л.Ю. и др.
Здоровье населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях
Уральского региона. — М.: РАДЭКОН, 2001.— 194 с.; Медико-биологические и
экологические последствия радиоактивного загрязнения реки Теча/Лоеее А.В.,
Киселев М.Ф.— М., 2001,— 530с.; Экологические и медицинские последствия радиа-
ционной аварии 1957 г. наПО«Маяк»/Л.Д. Аклеев, М.Ф. Киселев.— М.,2001.— 294с.
304
в формировании ВУРС основную дозовую компоненту также со-
ставил долгоживущий 90Sr. Критическими органами поэтому в
обоих случаях оказались костная ткань и костный мозг.
На протяжении всех последующих лет осуществлялись изме-
рения содержания радионуклидов в различных объектах окружаю-
щей среды ( воде, донных отложениях, почве и растениях) и про-
дуктах питания местного производства, у-фона, а также наблюде-
ние за здоровьем населения, подвергшегося хроническому облуче-
нию.
По мере удаления от места сброса радиоактивных отходов, а
также со временем дозовая нагрузка снижалась, что было обуслов-
лено радиоактивным распадом, разбавлением и рассеиванием
примеси в водотоке и особенно «поглощением» радионуклидов
донными отложениями и биомассой. На территории ВУРС наибо-
лее интенсивно спад уровней у-излучения и общей плотности ра-
диоактивного загрязнения происходил в первый год после аварии
за счет физического распада наиболее короткоживущих радионук-
лидов, а затем и относительно короткоживущих 95Zr и I06Ru. Мощ-
ность экспозиционной дозы у-излучения через один год снизилась
в 18 раз, через 25 лет — в 2600 раз, а через 40 лет — в 4100 раз. Плот-
ность загрязнения территории по смеси радионуклидов за 40 лет
снизилась почти в 50 раз [Аклеев А.В. и др., 2001].
Детально материал рассмотрен в вышеуказанных книгах; здесь
остановимся лишь на основных дозиметрических параметрах и
данных, касающихся изменений иммунитета и зарегистрирован-
ных при хроническом облучении на примере населения побережья
р. Теча.
На рис. 16.3 показана динамика содержания радиоактивного
стронция в скелете взрослого населения верхнего и среднего тече-
ний р. Теча с 1951 по 1980 г. в сравнении с глобальными уровнями.
Видно, что уже с первых лет загрязнения реки имеются данные об
инкорпорированном в скелете 90Sr. При этом, хотя за 40-летний
период наблюдения его уровни уменьшились более чем на поря-
док величины, «речной» 90Sr все еще остается на два порядка выше
глобального уровня этого радионуклида.
При оценке изменений иммунитета в зависимости от радиаци-
онной нагрузки при хроническом облучении наиболее правомер-
но сопоставление изучаемых иммунологических параметров с эк-
вивалентными дозами в красном костном мозге (ККМ), посколь-
305
Рис. 16.3. Динамика содержания 90Sr в организме взрослых жителей
прибрежных сел реки Теча в сравнении с глобальными уровнями
(по А.В. Аклееву и др., 2001):
— данные измерений аутопсийного материала; • — результаты измерений СИЧ
ку он является матриксом регенерации иммунокомпетентных кле-
ток. Как показал анализ проведенных исследований, многолетнее
сочетанное (внешнее и внутреннее) облучение привело к форми-
рованию этих доз в огромном диапазоне — от нескольких мЗв до
4000 мЗв. Для подкогорты «основных» жителей, облучившихся в
период максимальных сбросов, кумулятивная средняя доза (мода
функции распределения) лежит между 0,2 и 0,5 Гр (что сопостави-
мо со средними дозами у выживших после атомной бомбардиров-
ки японцев), причем 75—85% ее накопилось за первые десять лет.
Через 2—4 года после начала радиационного воздействия отме-
чались признаки снижения антиинфекционной резистентности,
которая, как известно, отражается на взаимоотношении организ-
ма с микрофлорой кожи и слизистых оболочек. Через 6 лет хрони-
ческого облучения, при средней накопленной дозе 85 сЗв на ККМ
к этому сроку, было выявлено подавление барьерных антимикроб-
ных функций кожи и слизистых, понижение фагоцитарной актив-
ности нейтрофилов и угнетение способности продуцировать анти-
тела. Как видно на рис. 16.4, заметные изменения по данному кри-
терию отмечаются при средней дозе 85 сЗв (диапазон доз
35—145 сЗв), а также при ХЛБ; при меньших дозах изученные по-
казатели не отличаются от контроля. С учетом того, что наиболь-
шие радиационные нагрузки имели место в первые два года после
306
Рис. 16.4. Глубина (%) угнетения иммунитета по результатам анализа ауто-
микрофлоры кожи
начала радиоактивных сбросов, пороговой дозой (по критерию ау-
томикрофлоры кожи) посчитали 30—40 сЗв/год1.
Угнетение фагоцитоза чаще наблюдалось в зрелом и пожилом
возрасте; у лиц старше 30 лет в 54% случаев, а у более молодых — в
17%. Снижение фагоцитарной активности нейтрофилов наблюда-
лось и у практически здоровых людей при накопленных дозах 20,
15 сЗв и менее, причем в случае обострения у них хронических вос-
палительных заболеваний этот показатель снижался, что может
свидетельствовать о незначительности и обратимости снижения
функции нейтрофилов.
На основании анализа этих многолетних наблюдений авторы,
выявившие аналогичные изменения иммунитета у подвергшихся
облучению практически здоровых людей, рассматривают ранние
изменения иммунитета в качестве первичной лучевой реакции
здорового организма, причем иммунная система в условиях хро-
нического радиационного воздействия обладает хорошими ком-
пенсаторно-приспособительными возможностями. Это и понят-
но, если учесть ярко выраженные регенерационные возможности
системы кроветворения.
Анализ полученных данных об изменениях иммунитета, на-
блюдавшихся у части людей уже в первые годы после начала облу-
1 Приводимые дозиметрические данные, скорее всего, занижены, так как они
не учитывают реального вклада в дозу других (неостеотропных) радионуклидов, со-
державшихся в большом количестве неконтролируемых гигантских сбросов
(СПЯ).
307
чения, дает основания для заключения о том, что эти изменения
связаны и с нерадиационными факторами окружающей среды.
При этом следует учесть, что облучение людей началось в тяжелые
послевоенные годы, когда многие недоедали, занимались тяже-
лым физическим трудом, имела место высокая инфекционная за-
болеваемость, что не могло не сказаться на исходном состоянии
здоровья облученных людей.
Исследования, проведенные через 20 лет после начала облуче-
ния (средняя накопленная доза на ККМ — 60,8 сЗв),показали, что
факторы, характеризующие естественную иммунологическую ре-
зистентность организма, восстановились, хотя у части людей (у
19,1% облученных лициу5,7%в контрольной группе) отмечались
некоторые лабораторные признаки аутоаллергизации. Вместе с
тем проводившиеся в это время эпидемиологические исследова-
ния не позволили отметить увеличения частоты аутоаллергиче-
ских или аутоиммунных заболеваний и смертности от них. Отсут-
ствие учащения инфекционных заболеваний свидетельствовало о
достаточности восстановления противоинфекционного иммуни-
тета.
Несмотря на компенсацию иммунологических расстройств,
наблюдающихся при хроническом облучении в дозах, превышаю-
щих 20 сЗв, длительные (многолетние) сроки их сохранения могут
иметь значение для развития отдаленных соматических эффектов,
прежде всего злокачественных новообразований. Этот вопрос,
однако, до последнего времени не изучен и остается предметом бу-
дущих исследований.
16.5. Нарушение обмена веществ
Радиационные изменения, происходящие под влиянием облу-
чения по существу во всех тканях, не могут не сказаться на обмене
веществ. Этими вопросами занимается радиационная биохимия,
которая, как и другие разделы радиобиологии, является самостоя-
тельной областью знаний; здесь лишь будут намечены основные
аспекты наблюдающихся в организме радиационно индуцирован-
ных метаболических нарушений.
Обсуждая биохимические процессы, происходящие в подверг-
нутом облучению организме, следует всегда иметь в виду необхо-
димость их деления на две категории: 1 — биохимический этап в
механизме первичного действия ионизирующих излучений и 2 — био-
308
химические изменения, происходящие в организме при развитии ОЛБ
и ее отдаленных последствий.
О биохимическом этапе первичного действия ионизирующих
излучений частично речь шла в гл. 5. Следствием этих процессов
являются такие важные цитологические события, как мутации, в
частности разрывы хромосом и частично повреждения, вызы-
вающие апоптоз.
О том, что разрыв хромосомы — значительно более сложное
событие, чем результат механического повреждения, возникаю-
щего при прохождении ионизирующей частицы (нескольких час-
тиц), свидетельствует хотя бы существование химического мутаге-
неза, биохимическая природа которого не подлежит сомнению.
Свидетельством механического компонента хромосомного
разрыва можно считать зависимость выхода хромосомных аберра-
ций от ЛПЭ, однако разрыв не обязательно происходит в месте
прохождения частицы. Это кажущееся противоречие частично
устраняется принятием гипотезы о высвобождении (вследствие
радиационного нарушения внутриклеточных структур) фермен-
тов с последующей их активацией и нарушением пространствен-
ной координации. Повреждение ядерных и других внутриклеточ-
ных мембран облегчает возможность ферментативной атаки ДНК.
О важности и реальности феномена раннего повреждения
мембран свидетельствуют ранние оригинальные эксперименты Р.
Бринкмана, в которых было обнаружено нарушение проницаемо-
сти синовиальной оболочки и тонких слоев эпидермиса уже в пер-
вую секунду после облучения в дозе 2 Гр.
Начиная с работ 40-х годов прошлого столетия известна высокая
радиочувствительность процесса биосинтеза ДНК. Существуют дан-
ные о нарушении самых ранних этапов синтеза предшественников
ДНК— мононуклеотидов, фосфорилирования тимидинмонофос-
фата до тимидинтрифосфата, а также конечных этапов синтеза — по-
лимеризации трифосфатов дезоксинуклеотидов на матрице.
Биосинтез РНК более резистентен, чем биосинтез макромоле-
кул ДНК. По-видимому, радиационное угнетение биосинтеза
РНК определяется не недостатком предшественников или сниже-
нием активности РНК-полимеразы, а опять же повреждением
ДНК-матрицы вплоть до того, что она сама вызывает ингибирова-
ние активности этого фермента. Наиболее радиорезистентен про-
цесс синтеза белка. Причем экспериментальный материал в этом
направлении получен в основном при работе с мечеными амино-
кислотами, включение которых в суммарные тканевые белки изу-
чали спустя длительное время после облучения.
309
Одной из самых лабильных и рано ингибируемых биохимиче-
ских систем является окислительное фосфорилирование (ОФ),
особенно в клетках радиочувствительных органов. Разобщение
ОФ в митохондриях селезенки отмечается в ближайший постра-
диационный период при дозе 1 Гр. В ядрах клеток костного мозга,
слизистой кишечника и лимфатических узлах крыс ОФ ингибиру-
ется или даже прекращается уже через 1 ч после облучения в дозах
0,25—0,5 Гр. При 1 Гр восстановление этого процесса происходит
только через 5 сут. В радиорезистентных органах обратимое разоб-
щение ОФ наступает только при минимально летальных дозах.
Приведенных данных, однако, недостаточно, чтобы приписать
и этому биохимическому процессу ведущую роль в определении
радиочувствительности, если учесть, что применение типичных
разобщителей окислительного фосфорилирования, например ди-
нитрофенола, не оказывает радиосенсибилизирующего действия,
а радиопротекторы, например аминотиолы, угнетают этот про-
цесс.
Перечисленные ранние нарушения основных биохимических
процессов могут усиливаться в результате развития в ядре и цито-
плазме вторичных процессов в ранние сроки после облучения. На-
пример, накопление некоторых метаболитов ДНК при активации
процессов катаболизма может привести к угнетению отдельных
ферментативных реакций ее синтеза. Изменение проницаемости
мембран, происходящее после облучения, может повлечь за собой
обеднение ядра ионами металлов или некоторыми важными мета-
болитами. Этот же процесс может привести к выходу в цитоплазму
самых разнообразных, в том числе катаболических, ферментов.
Таким образом, регуляция обменных процессов после облуче-
ния нарушается не только на молекулярном, но и на структурном
уровне. Развиваясь, суммируясь и взаимно влияя друг на друга, эти
процессы вызывают изменения в разных тканях. Это, в свою оче-
редь, обусловливает возникновение межтканевых и межсистем-
ных повреждений в организме, выражением которых и являются
разнообразные нарушения обмена веществ, наиболее ярко прояв-
ляющиеся в периоды разгара ОЛБ и непосредственного восста-
новления.
Значительные нарушения белкового обмена определяются
прежде всего массовой клеточной деструкцией радиочувствитель-
ных тканей, сопровождающейся уже на ранних этапах повышен-
ным содержанием азотсодержащих веществ в крови, выделением
таурина (рис. 16.5) и других аминокислот с мочой. Эти показатели
наряду с анализом метаболитов нуклеинового обмена (например,
310
дезоксицитидина) используют
как раннюю диагностическую
реакцию на облучение. О нару-
шении обмена белков свидетель-
ствуют также описанные выше
угнетение выработки антител и
других специфических иммун-
ных белков, нарушение их анти-
генной структуры и т.п. Сущест-
вуют данные об активации облу-
чением многих ферментов —
протеиназ, триптофаноксидазы,
карбоксипептидазы, щелочной и
кислой фосфатаз, описано рез-
кое усиление синтеза гемина и
ослабление синтеза глобина (по-
сле кратковременной активно-
сти) в ретикулоцитах. Активация
протеолитических ферментов, с
которой в значительной степени
связывают распад тканевых бел-
ков, в свою очередь, по-видимо-
му, является не только следстви-
ем повышения проницаемости
мембран клеточных органелл, но
и результатом нарушения регуля-
ции со стороны гипофизадрена-
ловой системы.
Значительно более устойчив
обмен углеводов, синтез которых
Время после облучения, ч
Рис. 16.5. Экскреция таурина
(по Г. Каю, Дж. Энтерману, 1959):
/ — контрольные крысы; 2—после облу-
чения в дозе 1 Гр; 3 — после облучения
в дозе 6 Гр; вертикальной пунктирной
линией отмечен момент облучения
если и нарушается, то только в поздние стадии лучевого пораже-
ния как результат глубокого патологического изменения органа.
Наблюдаемые сдвиги в содержании гликогена в крови и печени в
значительной степени связаны с нарушениями регуляции со сто-
роны надпочечников и частично с повреждением самих печеноч-
ных клеток [Граевская Б.М., 1976]. Относительно большей радио-
чувствительностью обладают высокополимерные полисахариды,
выполняющие специальные функции во многих тканях и жидко-
стях организма. В частности, деполимеризация гиалуроновой ки-
слоты, регулирующей проницаемость соединительной ткани, на-
ступает рано и уже при дозах 5— 10 Гр. С деполимеризацией муко-
полисахаридов связывают резкое усиление диффузии введенных в
311
кожу различных красителей под влиянием облучения в дозах 1 Гр и
выше.
Некоторыми авторами уделяется большое внимание радиаци-
онно-индуцированным нарушениям липидного обмена. Благода-
ря легкой окисляемости липидов, усиливающейся под действием
облучения, образуются пероксиды, которые участвуют в первич-
ных пострадиационных процессах в форме органических свобод-
ных радикалов. В России детальные исследования роли наруше-
ний липидного обмена в радиационной патологии и противолуче-
вой защите проводятся школами Б.Н. Тарусова, Н.М. Эмануэля,
Ю.Б. Кудряшова и Е.Б. Бурлаковой.
Н.М. Эмануэлем, в частности, постулировались представле-
ния о значении свободнорадикальных процессов, включая разви-
тие цепных реакций в облученной клетке, и возможности их инги-
бирования различными антиоксидантами как до, так и после облу-
чения. Например, согласно ранним данным Е.Б. Бурлаковой, раз-
вивающей эту концепцию, антиокислительная активность после
облучения животных в среднелетальных дозах в радиочувстви-
тельных органах — селезенке — падает практически до нулевых
значений, в то время как при меньших дозах и в радиорезистент-
ных органах ее падение выражено в гораздо меньшей степени. В
последние годы Е.Б. Бурлакова с сотрудниками занимается изуче-
нием регуляторной роли липидов мембран в клеточном метабо-
лизме в условиях лучевого поражения.
Заключая данный раздел, нельзя не отметить, что облучение
организма в летальных дозах вызывает очень незначительные из-
менения общего обмена веществ в организме, развивающиеся в
основном незадолго до гибели животного; причем наблюдающие-
ся проявления во многом связаны с диспептическими расстрой-
ствами и потерей электролитов.
В этой связи интересны обобщения, сделанные И.Н. Кенды-
шем (1974) на основании анализа литературы о биохимических ас-
пектах радиобиологического эффекта на уровне организма, кото-
рые, на наш взгляд, остаются справедливыми и по сей день. Автор,
справедливо критикуя существующую в радиобиологии тенден-
цию рассматривать происхождение биохимических изменений с
точки зрения универсальности действия радиации на процессы
обмена веществ в различных системах организма и у разных объек-
тов, рассматривает три категории изменений обменных процессов
в облученном организме, происходящих в радиочувствительных и
радиорезистентных тканях.
312
В радиорезистентных тканях (мышцах, головном мозге и др.)
метаболические сдвиги невелики или отсутствуют, а в радиочувст-
вительных тканях, многие клетки которых претерпевают интер-
фазную гибель уже через несколько минут после облучения, про-
исходят существенные биохимические изменения, выражающие-
ся в ингибировании синтеза ДНК и активации аэробного гликоли-
за. Позднее нарушаются и другие метаболические процессы,
которые являются следствием более грубых деструктивных изме-
нений клеточной организации, сопутствующих предсмертному
состоянию клеток; для этого периода характерны угнетение всех
биосинтетических процессов и резкое усиление катаболизма с вы-
делением различных клеточных компонентов.
В отличие от этого в печени облученных животных преоблада-
ет анаболический тип обменных сдвигов, выражающийся в усиле-
нии синтеза углеводов, липидов, белков и РНК. Анализируя ре-
зультаты собственных исследований, автор считает, что активация
биосинтеза основных метаболических субстратов в печени есть
следствие регуляторных эффектов, вызываемых метаболитами ра-
диочувствительных тканей, прежде всего аминокислотами.
Обобщая большой экспериментальный материал и литератур-
ные данные, И.Н. Кендыш приходит к заключению о том, что
«... продукты распада радиочувствительных тканей, вступая во
взаимодействие с различными структурами организма, прежде
всего с печенью, определяют ряд биохимических процессов, свя-
занных единым происхождением или последовательностью мета-
болических реакций». Согласно развиваемой автором концепции,
«между изменениями различных видов обмена в печени облучен-
ных животных существует взаимообусловленность, последователь-
ность которой можно представить следующим образом. Аминокис-
лоты, освободившиеся в радиочувствительных тканях вследствие
их деструкции, подвергаются в печени дезаминированию и пере-
аминированию и превращаются путем глюконеогенеза в глюкозу
и гликоген. Избыточное количество новообразованной глюкозы
поступает в кровь и с помощью инсулина вторично мобилизуется в
печени и других тканях, где вовлекается в синтез гликогена путем
глюконеогенеза. Эти процессы лежат в основе гипергликемии и
увеличения содержания гликогена в печени после облучения. Со-
пряженное с активизацией глюконеогенеза торможение гликоли-
за приводит к угнетению синтеза липидов из глюкозы и компенса-
торному усилению липогенеза из ацетата и жирных кислот с по-
следующим выделением синтезированных липидов в плазму кро-
ви. Временная интенсификация синтеза липидов в жировой ткани
313
из глюкозы обусловлена усилением глюконеогенеза в печени и ас-
симиляцией избытка периферической глюкозы. По такому же ме-
ханизму, очевидно, усиливается липогенез в жировой ткани из
ацетата и жирных кислот, которые в повышенном количестве об-
разуются в печени, а затем утилизируются в жировой ткани. Нака-
пливаясь в печени, свободные аминокислоты индуцируют синтез
белков плазмы крови и, возможно, синтез ключевых ферментов
глюконеогенеза — аминотрансфераз и некоторых других фермен-
тов, контролирующих обмен аминокислот в печени. Развитие от-
рицательного азотистого баланса после облучения является след-
ствием усиленной экскреции аминокислот, продуктов распада
нуклеиновых кислот и других азотистых веществ, большое коли-
чество которых освобождается в радиочувствительных тканях, но
не ассимилируется организмом».
Хотя приведенная концепция нуждается в экспериментальной
проверке, привлекательность изложенных в ней положений в том,
что в их рамки «... укладывается весь основной комплекс постра-
диационных изменений углеводов, липидов, белков и нуклеино-
вых кислот. С этой точки зрения становится объяснимой фазность
этих процессов, отражающая кинетику деструкции радиочувстви-
тельных тканей, трансформацию продуктов их распада в активные
метаболиты и переход их в общую циркуляцию. Таким образом,
распад радиочувствительных тканей можно рассматривать в каче-
стве первичного патогенетического звена нарушений межуточно-
го обмена веществ при ОЛБ». Тем самым сложную и запутанную
картину нарушений биохимических процессов удается свести в
стройную единую систему, отведя каждому из них свое место на
разных этапах лучевого поражения.
Остальные, в большинстве своем мало выраженные биохими-
ческие нарушения, возможно, играют определенную роль в меха-
низме опосредованного и дистанционного действия облучения,
составляя основу его токсического компонента.
Понятие радиотоксины впервые было предложено П.Д. Гори-
зонтовым (1958) для обозначения не каких-то определенных ве-
ществ, а самых различных неидентифицированных гуморальных
агентов, возникающих в тканях под действием облучения. Будучи
экстрагированными из тканей или из оттекающих от облученных
участков крови и лимфы, такие агенты при их введении интакт-
ным животным вызывали у них разнообразные опосредованные и
дистанционные проявления лучевых реакций. Радиотоксинами
могут быть как аномальные метаболиты, так и вещества, свойст-
венные нормальному состоянию, но образующиеся в облученном
314
организме в избыточном количестве, например, гормоны, продук-
ты обмена веществ и распада тканей и др.
Наиболее наглядно токсическая природа дистанционных эф-
фектов в организме представлена при местном облучении. В этом
случае выраженность их зависит как от объема, так и от локализа-
ции облученного участка, определяющих, с одной стороны, уро-
вень и «качество» образующихся токсических метаболитов, а с
другой — возможность их «разведения» в необлученных зонах ор-
ганизма. Кроме того, возникающие токсины воздействуют и на
нейроэндокринный аппарат, что служит причиной ряда опосредо-
ванных эффектов, типичным примером которых можно считать
вышеупомянутое состояние «рентгеновского похмелья».
Часто можно встретить утверждения о том, что при общем об-
лучении токсический компонент вообще отсутствует или не игра-
ет никакой роли. Однако если признать роль радиотоксических
факторов в развитии дистанционных и опосредованных эффектов
при местном облучении (а для этого есть все основания), то нельзя
отрицать, что те же факторы оказывают аналогичное влияние на
организм и при общем облучении. Само собой разумеется, что они
имеют несравненно меньшее прогностическое значение, чем не-
посредственное действие излучения, и тем не менее ими не следует
пренебрегать. В частности, при лечении ОЛБ следует помнить о
необходимости мер, направленных на детоксикацию облученного
организма — ранних кровопусканий с последующим введением
кровезаменителей, а также применения различных детоксикато-
ров, антигистаминных средств и др. (см. гл. 13).
РЕЗЮМЕ
• Биологические эффекты облучения в основном являются
следствием непосредственного воздействия радиации, наряду
с которым определенный вклад вносит ее опосредованное
(дистанционное) действие.
• На клеточном уровне опосредованное действие получило
в последнее время специальный термин — коммунальный эф-
фект (bystander effect).
1 Представления о токсических веществах, образующихся в облученных тка-
нях, не следует смешивать с позднее введенным понятием «первичные радиотокси-
ны», которым приписывали роль инициаторов первичных процессов лучевого по-
ражения.
315
• Наиболее ярко опосредованные эффекты проявляются
на уровне организма, в частности, в виде изменений клеточных
показателей в экранированном костном мозге, аналогичных
наблюдаемым в клетках его облученных участков (abscopal
effect).
• Возникновение и развитие опосредованных эффектов
облучения в большой степени связано с образованием токсе-
мии, вызванной различными метаболитами (радиотоксина-
ми), образующимися в облученных тканях.
• Во многих стабильных (в цитокинетическом отноше-
нии), высоко дифференцированных органах и системах, ус-
ловно называемых некритическими (так как они не отвечают
за исход лучевого поражения организма^возникают функцио-
нальные нарушения, имеющие важное значение в формирова-
нии некоторых отдаленных последствий облучения, например
нефро- или кардиосклероза.
• К числу универсальных реакций организма на острое и
хроническое облучение относятся изменения в его иммунной
системе, в основном обратимые, но длительно сохраняющие-
ся, а потому осложняющие инфекционные осложнения, а так-
же способствующие развитию отдаленных последствий.
• Интегральной реакцией организма на многочисленные
изменения, в разной степени возникающие во всех органах и
системах под влиянием облучения, являются нарушения обме-
на веществ, регистрируемые на всех этапах лучевой болезни.
Вероятно, многие из этих биохимических изменений играют
определяющую роль в опосредованном действии облучения —
его радиотоксического компонента. Как правило, эти метабо-
лические нарушения имеют обратимый характер и не требуют
специальной коррекции.
ГЛАВА
1 7 ОТДАЛЕННЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ
Соматические и генетические отдаленные последствия облу-
чения
Стохастические и нестохастические радиационные эффек-
ты
Сокращение продолжительности жизни, развитие склероти-
ческих и дегенеративных изменений, возникновение злокаче-
ственных новообразований
Механизмы отдаленных последствий облучения
Поражение генома как основа отдаленной лучевой патоло-
гии, роль эпигенетических факторов и опосредованных влия-
ний
Наследственные заболевания в потомстве.
В отдаленные сроки (у мышей и крыс через несколько месяцев, у
человека — через многие годы и десятки лет) после облучения в «вы-
здоровевшем» и, казалось бы, полностью восстановившемся от лучево-
го поражения организме возникают различные изменения, которые
называют отдаленными последствиями облучения.
17.1. Основные категории отдаленных последствий
Принято различать два типа отдаленных последствий — сомати-
ческие, развивающиеся у самих облученных индивидуумов, и генети-
ческие — наследственные заболевания, развивающиеся в потомстве
облученных родителей.
Вначале рассмотрим соматические отдаленные последствия. К
ним относят прежде всего сокращение продолжительности жизни,
злокачественные новообразования и катаракту. Кроме того, отда-
ленные последствия облучения отмечают в коже, соединительной
ткани, кровеносных сосудах почек и легких в виде уплотнений и
атрофии облученных участков, потери эластичности и других морфо-
функциональных нарушениях, приводящих к фиброзам и склерозу,
развивающимся вследствие комплекса процессов, включающих
уменьшение числа клеток, и дисфункцию фибробластов.
К отдаленным последствиям иногда необоснованно относят сни-
жение плодовитости, стерильность и нарушения эмбрионального раз-
317
вития. Действие радиации на эмбрион и плод — предмет специаль-
ного изложения в следующей главе. Там будет показано, что изме-
нения, возникающие при облучении плода, в абсолютном большин-
стве случаев следует относить к непосредственным эффектам
облучения, а отдаленные последствия облучения плода, отличаясь
лишь некоторой спецификой, принципиально те же, что и при об-
лучении взрослого организма. В равной степени неправомерно от-
носить к отдаленным последствиям снижение плодовитости и сте-
рильность, которые являются типичным примером непосредствен-
ных последствий поражения систем клеточного обновления вос-
производительных органов (см. гл. 11).
Следует иметь в виду, что деление на соматические и генетические
последствия весьма условно, ибо на самом деле характер повреждения
зависит от того, какие клетки подверглись облучению, т. е. в каких
клетках это повреждение возникло — в соматических или зародыше-
вых. В обоих случаях повреждается генетический аппарат, а следова-
тельно, и возникающие повреждения могут наследоваться. В первом
случае они наследуются в пределах тканей данного организма, объеди-
няясь в понятие соматического мутагенеза, а во втором — также в
виде различных мутаций, но в потомстве облученных особей.
Таким образом, решающее значение для облученного индиви-
дуума или его потомков имеет вид мутаций и то, в каких клетках
(зародышевых или соматических) они возникают. Например, если
доминантные мутации (к числу которых относятся и многие хромо-
сомные аберрации) возникают в зародышевых клетках, то они либо
приводят к уменьшению вероятности зачатия или рождаемости, либо
проявляются, как правило, в первом поколении, не переходя в после-
дующие. Возникая в соматических, активно пролиферирующих клет-
ках, такие мутации наиболее сильно сказываются при их делении,
чаще всего приводя к гибели самих клеток и/или их потомства, что яв-
ляется главной причиной гибели организма при ОЛБ вследствие опус-
тошения критических органов (см. гл. 12,14). В покоящихся клетках те
же мутации могут быть причиной утраты генетического контроля за
рядом функций, а сохраняясь, могут иметь большое значение в разви-
тии злокачественных опухолей.
Рецессивные мутации вызываются повреждениями отдельных
генов, в большинстве случаев в виде точковых мутаций. Если они
возникают в половых клетках, то эффект облучения может прояв-
ляться в последующих поколениях, подчиняясь общим законам
расщепления признаков, вероятность проявления которых растет
с численностью облученной популяции.
318
Наиболее важным является разделение всех отдаленных по-
следствий на две другие категории — стохастические и нестохас-
тические эффекты. К стохастическим (вероятностным) относятся
два вида отдаленных последствий — злокачественные новообра-
зования и наследственные заболевания, а все остальные — к не-
стохастическим эффектам.
Не менее существенным является принципиальное различие
во взаимоотношениях обоих видов эффектов с дозой излучения.
С ростом дозы увеличивается как вероятность, так и степень про-
явления любых нестохастических эффектов, тогда как в отношении
стохастических эффектов увеличивается лишь вероятность их возник-
новения.
Иными словами, нестохастические отдаленные последствия,
подобно непосредственным детерминированным эффектам
(см. гл. 12), возникают при достижении определенного дозового
порога и усиливаются с дальнейшим увеличением дозы. В отличие
от этого стохастические последствия возникают в полном объеме
(«половины рака не бывает») теоретически при сколь угодно ма-
лой дозе, а с ее увеличением растет лишь вероятность их возникно-
вения.
В соответствии с описанным выше общепринятым делением
рассмотрим две основные категории отдаленных последствий —
соматические, возникающие у самих облученных объектов, и ге-
нетические, — развивающиеся в их потомстве.
17.2. Соматические отдаленные последствия облучения
17.2.1. СОКРАЩЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ
Сокращение продолжительности жизни — универсальный
эффект облучения, который наиболее подробно изучен на мышах,
особенно в экспериментах с однократным облучением.
Существует строгая зависимость сокращения средней продол-
жительности жизни (СПЖ) от дозы излучения. Согласно Д. Гершу
(1957), СПЖ мышей и крыс при однократном облучении в субле-
тальных дозах сокращается на 2,5—5% на 1 Гр. На рис.17.1 пред-
ставлены данные соответствующих исследований ряда авторов,
причем доза излучения дана не в абсолютных величинах, а в про-
центах от ЛД^.
Близкие данные получены позднее И. Ротблатом и П. Лицдоп на
80-недельных мышах, сокращение СПЖ которых составило 5,4%,
319
40
30
10 20 30 40 50 60 70 80
Доза облучения, % от ЛД50/30
Рис. 17.1. Уменьшение продолжи-
тельности жизни крыс и мышей
после однократного общего рентге-
новского или у-облучения (объяс-
нение в тексте)
или 5 нед на 1 Гр (рис. 17.2). Исходя из того, что кривые на рис. 17.1
и 17.2 проходят через начало координат, можно было бы предпо-
ложить, что радиационное сокращение СПЖ не имеет порога. Од-
нако для такого заключения нет достаточных оснований, если
учесть снижение эффекта при фракционировании дозы, его ниве-
лировку при хроническом облучении и даже увеличение СПЖ при
низких уровнях радиационного воздействия. Анализируя данные
литературы, М. Тюбиана (1963) пришел к заключению, что сокра-
щение СПЖ при однократном воздействии в дозах 2—5 Гр у раз-
личных животных составляет 2—4%, причем практически оно ни-
когда не было отмечено при дозах менее 2 Гр.
Согласно более поздним репрезентативным данным Дж. Когг-
ла (1983), результаты изучения сокращения СПЖ у 27 000 мышей
(на сегодня это самый крупный эксперимент) после их тотального
у-облучения при мощности дозы 0,45 Гр/мин свидетельствуют о
том, что в интервале 1—0,5 Гр зависимость носит не линейный, а
квадратичный и, кроме того, пороговый характер.
Особенно четко «пороговый» характер радиационного сокра-
щения СПЖ проявляется при пролонгированном воздействии.
Как показали фундаментальные исследования Ф. Грана (1970),
проведенные на мышах разных линий, морских свинках, собаках и
др., отобранных по возрасту, полу и генотипу, хроническое облу-
чение в дозах 0,02—0,15 Гр в неделю не оказывало влияния на про-
Рис. 17.2. Сокращение продолжи-
тельности жизни мышей как функ-
ция дозы излучения (по И. Ротбла-
ту, П. Линдоп, 1961)
320
Рис. 17.3. Изменение средней
продолжительности жизни мы-
шей в зависимости от дозы у-
(верхняя абсцисса Гр/нед) или
нейтронного излучения (ниж-
няя абсцисса) при непрерыв-
ном воздействии на животных
в течение всей жизни (по Р.
Моулу, 1957)
Доза у-излучения, Гр/нед
Доза быстрых нейтронов, Гр/нед
должительность их жизни. По существу, аналогичные данные
были ранее обобщены Р.Г. Моулом (1957), который показал, что
реальное сокращение СПЖ мышей, подвергавшихся в течение
всей жизни непрерывному облучению, начинает проявляться
лишь при суммарных недельных дозах 0,1 или 0,01 Гр соответст-
венно у- или нейтронного воздействия (рис. 17.3). При большей
мощности дозы сокращение СПЖ изменяется не в прямой (как
при однократном облучении), а, по-видимому, в логарифмиче-
ской зависимости от недельной дозы, причем средняя величина
ОБЭ нейтронов равна примерно 10. Это можно связать с восста-
новлением организма вследствие репарации основных критиче-
ских систем, которая при нейтронном облучении ослаблена.
Интересны результаты более ранних экспериментов, в кото-
рых эффект не только практически отсутствовал (при суточной
дозе 0,11 и 0,22 сГр), но, как видно на рис. 17.4, при суточной дозе
0,11 сГр наблюдалось даже увеличение продолжительности жиз-
ни мышей по сравнению с контрольными необлученными жи-
вотными.
Многочисленные данные о так называемых «стимулирующих»
эффектах малых доз приведены в трудах А. М. Кузина. По его ини-
циативе облучение в малых дозах было предложено использовать
для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, а
также для предынкубационной обработки яиц с целью увеличения
вылупляемости цыплят и улучшения развития птиц.
Убедительных объяснений этим данным до сих пор нет. Одним
из механизмов такого стимулирующего действия малых уровней
321
Рис. 17.4. Кривые выживания мышей линии LAF, подвергнутых ежедневно-
му у-облучению в течение 8 ч в разных дозах (по А. Компфорту, 1967):
/-0,0011 Гр; 2-0,011 Гр; 5- 0,022 Гр; 4-0,044 Гр; 5- 0,088 Гр; 6-контроль
облучения называют функционирование легко индуцибельной
системы ферментативной репарации. Независимо от справедли-
вости этой точки зрения, весьма уместно напомнить раннее сооб-
ражение 3. Бака (1962) о том, что «...гипотезы об исключительно
вредном эффекте ионизирующего излучения, вероятно, потеряли
свое значение и, быть может, оно, подобно световой и тепловой
энергии, имеет свой физиологический и патологический уро-
вень».
Сам по себе феномен стимулирующего действия малых доз из-
лучения, получивший в последние десятилетия специальный тер-
мин «радиационный гормезис», привлекает внимание многих иссле-
дователей, но пока не принимается во внимание при разработке
радиационно-гигиенических регламентов (см. гл. 24).
Отчетливое сокращение продолжительности жизни наблюда-
лось в экспериментах Д. Брауна на ослах и Т. Нунна на коровах,
выживших после у-облучения в дозах 2—5 Гр.
При оценке приведенных и других экспериментальных данных
Н.Г. Даренская пришла к выводу о том, что сокращение продол-
жительности жизни — пороговая реакция, и в качестве порога для
млекопитающих она называет дозу 0,04 Гр. При этом, экстраполи-
руя на человека результаты, полученные различными авторами на
322
Активность радионуклида, кБк/кг-102
Рис. 17.5. Средняя продолжительность жизни крыс после однократного
внутривенного введения нитрата 238Ри (по В.С. Калистратовой и др., 2001):
/ — минимальное, 2 — максимальное, 3— среднее значения
млекопитающих разных видов, она пришла к заключению, что со-
кращение СПЖ на каждые 0,01 Гр составит при однократном об-
лучении 1—15 сут, а при хроническом воздействии ~ 0,1 сут.
В последнее время, однако, Л.А. Булдаков и В.С. Калистратова
(2001) в результате обобщения огромного материала по влиянию
на СПЖ как внешнего, так и внутреннего облучения пришли к
следующему заключению. При остром внешнем облучении про-
должительность жизни начинает снижаться при дозах 1 Гр и выше,
а при хроническом — после накопления дозы выше 2 Гр. Ниже
этих величин нет ни экспериментальных, ни эпидемиологических
достоверных данных о снижении СПЖ. При хроническом как
внешнем, так и внутрикорпоральном, в том числе а- и p-облуче-
нии мышей, крыс и собак, для наименьших из ряда испытанных
доз было показано даже увеличение СПЖ на 5—14% . На рис. 17.5
приведены в качестве примера данные об изменении СПЖ крыс
под влиянием разных количеств однократно введенного нитрата
238Ри.
1 Отсутствие влияния малых доз облучения, в том числе инкорпорированных
радионуклидов на СПЖ и даже ее увеличение^ исключает развитие отдаленной
патологии, а в ряде случаев способствует ее проявлению, так как увеличивает вре-
мя, необходимое для реализации той или иной патологии.
21*
323
Прямые данные о СПЖ человека после острого облучения ог-
раничены наблюдениями за единичными людьми, перенесшими
аварии на атомных производствах, которые не имеют статистиче-
ской значимости. Основной же материал дают наблюдения за ли-
цами, подвергшимися в 1945 г. атомной бомбардировке в Хироси-
ме и Нагасаки. Наблюдение проводится в рамках нескольких про-
грамм, начатых в разные годы в период с 1956 по 1981 г., из которых
основной является так называемая программа «Пожизненного на-
блюдения (исследования)», по англ. LSS — Life Span Study. Когор-
ты облученных и контрольных лиц были сформированы в начале
50-х годов и имели численность соответственно около 120 и 32 тыс.
человек. По состоянию на 1990 г. в когорте облученных лиц оста-
валось 86 572 человека, для которых была установлена доза облуче-
ния (для ряда входящих в когорту лиц доза облучения неизвестна),
а в контрольной когорте под наблюдением находилось 26 580 че-
ловек. Эти цифры наиболее часто фигурируют сейчас в различных
публикациях, посвященных изучению отдаленных радиологиче-
ских последствий атомной бомбардировки, а сами эти когорты бу-
дут неоднократно упоминаться в последующих разделах этого ру-
ководства.
Проводящиеся эпидемиологические исследования предоста-
вили возможность проверить гипотезу об ускорении естественных
инволюционных процессов при воздействии ионизирующей ра-
диации. Так, согласно анализу 30-летнего изучения облученных
людей, выполненному в середине 80-х годов, даже использование
большого набора клинико-лабораторных, физиологических, функ-
циональных и морфологических тестов у переживших атомную
бомбардировку не выявило ускорения процессов старения по
большинству индексов возрастной инволюции. Не обнаружено
также усугубляющего влияния радиации на течение целого ряда
заболеваний — гипертонии, ревматического артрита, коронарной
болезни, капиллярных нарушений и сахарного диабета. Наконец,
посредством сопоставления продолжительности жизни и причин
смерти в когорте облученных лиц не было выявлено увеличения
смертности от естественных для человека причин. Не изменились
оценки СПЖ в когорте переживших бомбардировку и к 2000 году,
более того, их СПЖ оказалась даже больше средних японских по-
казателей, что, вероятно, связано с повышенным вниманием к
ним и улучшенным медицинским обслуживанием. Таковы на се-
годня результаты анализа влияния острого облучения на продол-
жительность жизни человека.
324
К сожалению, сведения о влиянии на СПЖ малых уровней
хронического, в том числе и профессионального, воздействия ра-
диации далеко не всегда удовлетворяют требованиям научного
анализа.
Согласно ранним данным С. Уоррена (1956), для рентгеноло-
гов США по сравнению с врачами других специальностей харак-
терна значительно более высокая частота лейкозов, а смерть от бо-
лезней наступает у них в более раннем возрасте. Вследствие этого
их СПЖ укорачивается в среднем на 5,2 года, что вдвое превышает
расчеты Д. Герша (1957), так как средняя доза, получаемая рентге-
нологами, не превышала 2 мГр в неделю. В связи с этим анализ
С. Уоррена, построенный на обработке распределения смертно-
сти по возрастам, подвергся критике. Позднее, однако, выясни-
лось, что критика С. Уоррена была напрасной, так как с его выво-
дами в дальнейшем согласились. При более детальном изучении
продолжительности жизни медицинского персонала США, про-
веденном в 1965 г., было показано, что СПЖ радиологов на 5 лет
меньше, чем врачей, не подвергавшихся профессиональному об-
лучению. Изучение смертности радиологов Великобритании не
обнаружило укорочения их жизни. По мнению Дж. Коггла (1983),
несоответствие между данными США и Великобритании связано
с тем, что тщательно разработанные стандарты радиационной за-
щиты в Англии начали применять еще в 1922 г., т. е. почти на 20 лет
раньше, чем в США. Последний анализ СПЖ американских ра-
диологов показал, что в основном ее сокращение связано с индук-
цией лейкозов и солидных опухолей.
Весьма информативными оказались данные 50-летних наблю-
дений за жителями, подвергшимися хроническому облучению в
результате радиационных инцидентов на Южном Урале, описан-
ных в предыдущей главе. Оказалось, что укорочение продолжи-
тельности их жизни также определялось смертью от злокачествен-
ных новообразований и не сказалось на СПЖ лиц, погибших от
других причин, которая не отличалась от средних показателей на-
селения данного региона [Аклеев А.В., 2003].
Учитывая важность рассматриваемой проблемы и крайнюю
опасность преждевременных выводов и экстраполяции экспери-
ментальных данных на человека, следует продолжить накопление
экспериментальных данных, получаемых на различных млекопи-
тающих, сбор клинического материала, включая тщательные ра-
диационно-эпидемиологические исследования среди перенесших
радиационную аварию на ЧАЭС (см. гл.23).
325
17.2.2. РАДИАЦИОННАЯ КАТАРАКТА
Возникновение катаракты — типичное отдаленное последст-
вие тотального облучения организма или местного облучения хру-
сталика. Имеется большой опыт изучения лучевой катаракты у
животных разных видов (мышей, крыс, морских свинок, кроли-
ков, собак) и у человека.
Пострадиационное развитие катаракты — явление пороговое,
причем величина порога увеличивается при фракционировании
дозы, а продолжительность латентного периода увеличивается с
возрастом.
На рис. 17.6 представлены результаты экспериментов на кры-
сах 6- и 30-недельного возраста, подвергнутых внешнему облуче-
нию (поглощенная доза в хрусталике 4—16 Гр). Видно, что дли-
тельность латентного периода у молодых животных резко сокра-
щена, однако частота возникновения катаракты при данной дозе
излучения к концу наблюдения в обеих группах становится одина-
ковой. Такие результаты свидетельствуют о роли процессов фи-
зиологической регенерации, более выраженной у молодых живот-
ных, что приводит к раннему проявлению дегенеративных изме-
нений в экваториальных клетках, с которыми связывают возник-
новение катаракты.
Рис. 17.6. Зависимость частоты катаракт от дозы и времени, прошедшего
после облучения крыс разного возраста (по И.А. Миловидовой, 1975):
I — недельный контроль; 2 — 30-недельный контроль; 3 — 6-недельные — 4 Гр;
4— 30-недельные — 4 Гр; 5— 6-недельные — 8 Гр; 6— 30-недельные — 8 Гр;
7—6-недельные — 16 Гр; 8— 30-недельные — 16 Гр
326
Рис. 17.7. Зависимость катарактогенной дозы для человека от мощности
дозы (продолжительности облучения), выраженная как вероятность между
нулем и единицей (по Дж. Мерриаму и др., 1972):
в пределах затемненной полосы в диапазоне данных доз катаракта может развиваться
во всех случаях или не развиваться вовсе, однако вероятность ее образования растет с
увеличением суммарной поглощенной дозы
Согласно наблюдениям Г. Мерриам и др. (1972), пороговая
доза для возникновения катаракты после однократного рентге-
новского облучения глаза человека — 2 Гр, а при дозе 5 Гр наблю-
дается прогрессирующее развитие катаракт. Анализируя истории
болезни 233 пациентов, подвергшихся облучению головы, авторы
обнаружили, что катаракта развилась у 128 человек (у 105 она от-
сутствовала). Согласно этим данным, при фракционированном
облучении в период от 3 нед до 3 мес минимальная катарактоген-
ная доза составляет 4—5 Гр. Вообще же вероятность возникнове-
ния катаракты у человека — величина статистическая и ее зависи-
мость от дозы и продолжительности облучения схематически
представлена на рис. 17.7.
Ослабление катарактогенного эффекта облучения при фрак-
ционировании дозы отчетливо демонстрирует большое значение
процессов восстановления в реализации радиогенного помутне-
ния хрусталика. Об этом же свидетельствует и значительно боль-
шая катарактогенная эффективность излучения с высокой ЛПЭ, в
частности нейтронов, ОБЭ которых по данному показателю в за-
висимости от их энергии оценивают от 4,5 до 9.
327
17.2.3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ
Сообщения о возникновении злокачественных опухолей
вследствие облучения появились уже через 10 лет после открытия
рентгеновских лучей, и первыми жертвами были сами медицин-
ские работники, не подозревавшие о коварных свойствах ионизи-
рующих излучений (см. гл. 2). Вскоре после этого начали накапли-
ваться и экспериментальные данные о лучевом канцерогенезе у
животных разных видов. Выяснилось, что как и при действии дру-
гих канцерогенных агентов, между облучением и возникновением
злокачественных новообразований проходит длительный латент-
ный период. При этом ионизирующие излучения сами по себе, не-
зависимо от их вида и способа воздействия — внешнего или внут-
реннего, тотального или локального, однократного, фракциони-
рованного или хронического, вызывают самые разнообразные
опухоли и лейкозы.
Накопленный к настоящему времени обширный эксперимен-
тальный материал и клинические наблюдения показали, что под
влиянием облучения могут возникать новообразования практиче-
ски во всех органах. Однако наиболее частыми следует считать
злокачественные опухоли кожи и костей, эндокринно-зависимые
опухоли (рак молочной железы и яичников) и лейкозы. При этом
кожные и костные опухоли возникают чаще всего при местном об-
лучении, а остальные, как правило, в результате тотального воз-
действия.
Не следует забывать, что вопрос о дозовой зависимости воз-
никновения злокачественных новообразований и пороговое™
этого явления чрезвычайно сложен и дискуссионен.
Наиболее полно эта проблема изучена в отношении опухолей
костей, в значительной степени благодаря исследованиям с ис-
пользованием откладывающихся в костной ткани так называемых
остеотропных радионуклидов (Pu, Ra, Sr). Экспериментальными
исследованиями М. Финкель с сотрудниками обосновывается по-
роговый характер возникновения остеосарком, причем в качестве
минимальной остеосаркомогенной дозы для человека называют
12 Гр. Большинство авторов придерживаются мнения о том, что
канцерогенная доза местного облучения больше 10 Гр, т. е. превы-
шает дозу, предварительно вызывающую острое местное пораже-
ние. В экспериментах с хроническим поступлением 239Ри получены
сведения о возникновении остеосарком у крыс при кумуляции
доз > 12—14 Гр [Булдаков Л.А. и др., 1969, 2001].
328
Рис. 17.8. Частота миелоидной
лейкемии мышей самцов линии
RF, подвергнутых общему рент-
геновскому облучению
(по А. Аптону, 1961)
Частота возникновения опухолей при местном облучении воз-
растает с увеличением поглощенной дозы; кривая, отражающая
эту зависимость, например для остеогенных сарком, имеет сигмо-
идную форму.
Значительно менее изучен вопрос о существовании пороговой
дозы для возникновения опухолей и лейкозов при тотальном облу-
чении. Не получила также должного объяснения и форма кривой,
характеризующей связь этого явления с поглощенной дозой.
На рис. 17.8 приведены типичные результаты экспериментов,
демонстрирующих сложную зависимость возникновения лейкоза
мышей с ростом дозы общего облучения. Кривая, характеризую-
щая эту зависимость, имеет максимум в области 3 Гр. Уменьшение
частоты лейкозов при более высоких дозах обычно трактуется как
следствие радиационной гибели, или стерилизации клеток, под-
вергающихся малигнизации. Установлено также, что частота от-
дельных форм лейкозов значительно варьирует у животных раз-
ных линий, что свидетельствует о влиянии на этот процесс целого
ряда факторов нерадиационной природы.
Существует большое число исследований, содержащих анализ
профессиональной заболеваемости лейкозами, а также частоты их
возникновения у лиц, подвергавшихся облучению в разные перио-
ды жизни по медицинским показаниям. К сожалению, весьма час-
то произведенная в них оценка не удовлетворяет статистическим
требованиям и поэтому не может служить надежным основанием
для количественного заключения. У. Курт-Браун и Р. Долл (1957,
1958) проанализировали заболеваемость лейкозом у 11 287 муж-
чин, получавших лучевую терапию по поводу анкилозирующего
спондилита; частота различных форм лейкоза у них оказалась уве-
личенной в 5—50 раз, причем в диапазоне доз 3—15 Гр вероятность
329
Доза излучения, Гр
Рис. 17.9. Частота опухолей молочной
железы у крыс после однократного об-
щего рентгеновского облучения
(по К. Шеллабаргеру
и др., 1957):
результаты двух серий опытов,
обозначенных разными символами
заболевания составляла 1 случай лейкоза на 2 млн чел/год на
0,01 Гр.
Вероятность возникновения радиационно обусловленных со-
лидных опухолей и лейкозов определяется, кроме поглощенной
дозы, рядом других факторов, например генетическими, консти-
туционными особенностями, полом и др. Это видно из результа-
тов опытов по индукции опухолей молочной железы у крыс, часто-
та которых росла пропорционально дозе (рис. 17.9), но при этом
была значительно меньшей у овариоэктомированных животных,
возрастая при успешной пересадке последним яичника здорового
донора. Тем не менее радиационное воздействие остается наибо-
лее существенным фактором, ибо при экранировании животных
опухоли возникают только в облученных молочных железах, а ве-
роятность возникновения опухолей после облучения половины
тела снижается вдвое по сравнению с вероятностью их возникно-
вения после тотального облучения, т. е. снижается пропорцио-
нально уменьшению массы облученной ткани.
У мышей легко индуцируются опухоли яичников. Обязатель-
ным условием их образования является нарушение функции обеих
желез. Если облучен лишь один яичник, то ни в нем, ни в необлу-
ченном опухоли не возникают. Экстирпация необлученного яич-
ника способствует появлению опухоли в оставшемся.
На рис. 17.10 приведены данные зависимости частоты некото-
рых видов злокачественных новообразований мышей и крыс от
дозы излучения. Разнообразие форм кривых определяется влия-
нием множества факторов, действующих между первичным актом
трансформации клетки и появлением опухоли. Такие факторы,
330
Рис. 17.10. Зависимость доза—эффект для миелоидного лейкоза (7), лимфо-
мы тимуса (2), ретикулярных опухолей (J), рака яичников (4) и рака легких
(5) у мышей (а) и рака молочной железы (7), опухолей почек (2) и опухо-
лей кожи (J) у крыс (б) (по Дж. Когглу, 1986)
как иммунологические, гормональные, сосудистые и связанные с
этим трофические и многие другие в сочетании с особенностями
клеточно-кинетических параметров могут решающим образом
влиять на частоту возникновения опухолей. В качестве примера
можно указать на тот факт, что даже небольшие изменения пара-
метров кривой выживания (Ло и Dq) радикально изменяют форму
кривой индукции опухолей (рис. 17.11).
Особенностью возникновения опухолей и лейкозов после то-
тального облучения является то, что для их появления требуются
меньшие дозы, чем при местном воздействии, что обычно связы-
вают с увеличением вероятности образования жизнеспособных
малигнизированных клеток вследствие увеличения объема облу-
ченных тканей. Кроме того, не исключено, что при тотальном об-
лучении становится более выраженной роль опосредованных
влияний.
Наконец, на форму кривых и частоту возникновения опухолей
влияют ЛПЭ и мощность дозы, увеличение которых усиливает
канцерогенный эффект.
Существует два источника информации о вызываемых облуче-
нием злокачественных новообразованиях у человека:
1 — так называемые вторичные раки у пациентов, подвергав-
шихся облучению в больших дозах в терапевтических целях;
331
Рис. 17.11. Влияние принятых значений параметров кривой инактивации
облученных клеток на ожидаемое поведение зависимости «доза — частота
новообразований»: а — зависимость «доза — частота преканцерогенных
изменений» носит квадратичный характер; б — линейный характер
(по Р. Моулу, 1975):
7 — инактивация отсутствует; 2—D4 = 2Dttr; 3 — Df = Diti; 4—Dt = 0; D* равно 2 Гр на
всех кривых
2 — радиогенные раки и лейкозы, возникшие у японцев вслед-
ствие атомной бомбардировки и у пострадавших в результате ава-
рий на атомно-ядерных производствах.
Данные о вторичных радиогенных раках в большинстве случа-
ев не могут служить (в статистическом отношении) надежным ко-
личественным источником информации, так как они получены
разными авторами в разных условиях облучения, у лиц разного
возраста и в разные сроки после лучевой терапии. Достоверными
являются лишь массовые наблюдения за возникновением рака
щитовидной железы у детей, подвергавшихся локальному облуче-
нию по поводу гипертрофии тимуса, а также детского рака. Так, по
данным М.А. Такера и др. (1991), риск рака щитовидной железы
после лучевого лечения рака у детей был увеличен в 53 раза по
сравнению с показателем для населения в целом. Повышенная ве-
роятность возникновения радиогенного рака щитовидной железы
у детей связана с ее высокими показателями пролиферативной ак-
тивности.1 Отмечено также семикратное возрастание риска вто-
ричных злокачественных новообразований после лучевой терапии
1 Мы вернемся к анализу особенностей рака щитовидной железы при описа-
нии радиологических последствий аварии на ЧАЭС (гл. 23).
332
острого лимфобластного лейкоза [Неглия Н. и др., 1991]. Большая
часть этого риска была обусловлена 22-кратным ростом опухолей
головного мозга у пациентов, подвергавшихся облучению черепа в
возрасте до пяти лет.
Имеются также данные о возникновении сарком (опухолей из
клеток соединительной ткани) в зонах, которые во время лучевой
терапии оказались в области высоких доз излучения.
Наиболее полные сведения о лейкозах и опухолях, индуциро-
ванных облучением у человека, содержатся в многочисленных
сводках и обзорах, посвященных отдаленным последствиям дей-
ствия излучения у пострадавших при атомной бомбардировке в
Японии. В разделе 17.2.2 были описаны когорты облученных и
контрольных лиц, сформированные в Японии в 50-годы. Распре-
деление подвергшихся обучению лиц по дозам радиации по со-
стоянию на 1990 г., когда в когорте LLS (Пожизненного наблюде-
ния) находилось 86 572 человека (из которых у 36 459 чел. доза не
превышала 5 мЗв, а у остальных 50 113 средняя доза составляла
0,2 мЗв), представлено в табл. 17.1. Напомним, что в это время под
наблюдением находилось 26 580 человек контрольной группы, жи-
телей этих мест, но которые во время бомбардировок были за пре-
делами зоны поражения и не подверглись облучению.
Таблица 17.1. Распределение 86 572 лиц, наблюдавшихся в 1990 г.
в когорте пострадавших при атомной бомбардировке Хиросимы и Нагасаки,
по интервалам полученной дозы
Доза облучения, Зе
> 0,005 0,005-0,02 0,02-0,05 0,05-0,1 0,1-0,2 0,2-0,5 0,5-1,0 < 1,0
Число лиц в данном диапазоне
36 459 16 921 9 390 6 538 5 467 6 308 3 202 2 287
В табл. 17.2 представлены данные о превышении наблюдаемо-
го количества солидных новообразований над ожидаемым. Как
видно из таблицы, заболеваемость возрастает с увеличением дозы.
Например, для дозового интервала 0,5—1,0 Зв отношение из-
быточной заболеваемости над ожидаемым (фоновым) уровнем со-
ставляет 44,6%, а при дозах выше 1,5 Зв оно превосходит 100%.
В области доз менее 0,2 Зв значимой связи заболеваемости с
дозой не установлено. Это может быть связано либо с недостаточ-
ной статистической мощностью когорты LSS, либо с существова-
нием пороговой дозы. Вопрос о действии радиации на человека
333
при дозах менее 0,2 Зв является предметом острой научной дискус-
сии. По оценкам одних авторов, пороговая доза для когорты LSS
составляет 0,05 Зв, другие считают, что доказательства существо-
вания пороговой дозы пока отсутствуют.
Таблица 17.2. Частота злокачественных новообразований в когорте LSS
в период 1958 — 1988 гг. при разных дозах облучения
(по Д. Томпсону и др., 1994)
Доза, Зв Количество пострадав- ших Наблюдае- мое число заболеваний Ожидаемое число забо- леваний Превышение числа забо- леваний • Отношение превышения к ожидаемому, %
<0,01 39 213 4 286 4 269 17 0,4
0,01 - 0,2 Неизвестно 2 822 2 767 55 2
0,2-0,5 37 833 759 623 136 21,8
0,5- 1,0 418 289 129 44,6
1,0- 1,5 195 102 93 91,2
1,5 - 2,0 2 926 78 38 40 105,3
> 2 55 23 32 139
Всего 79 972 8 613 8 111 502 6,2
В табл. 17.3 аналогичная связь с дозой показана для лейкозов в
расчете на 1 млн человек.
Таблица 17.3. Частота заболевания лейкозами в зависимости от дозы
ионизирующего излучения (из отчета комиссии ООН, 1964)
Расстояние от эпи- центра, м Диапазон погло- щенных доз, Гр (оценка) Число заболевших на 1 млн чел./год
Хиросима Нагасаки
0-999 14-100 1366 563
1000-1499 2-14 308 530
1500-1999 0,3-2 42 68
2000-9999 0,1-0,3 28 37
Согласно данным последних анализов проблемы, обобщенных
в Отчетах НКДАР 1994 и 2000 гг., пожизненный риск смерти от ра-
диационно-индуцированных злокачественных новообразований
на 1 Зв острого облучения составляет для солидных опухолей вме-
сте взятых примерно 9% для мужчин, 13% для женщин и 11% в
среднем по обоим полам, а для лейкозов для обоих полов — 1%.
Принятые величины, как отмечено в «Отчете НКДАР-2000», мож-
но грубо принять равными удвоенному риску смертности при низ-
ких дозах. Однако следует иметь в виду, что реально ни по одному
334
Рис. 17.12. Теоретическая кривая доза—эффект для радиационного
канцерогенеза:
а —линейная; б— квадратичная; в — линейно-квадратичная; г — линейно-нелинейная за-
висимость (по Дж. Когглу, 1986)
виду злокачественных новообразований не найдено достоверного по-
вышения смертности при эквивалентных дозах менее 0,2 Зв.
Установление точной формы зависимости частоты индуциро-
вания новообразований от дозы облучения представляет значи-
тельный интерес, так как такого рода данные были бы весьма по-
лезны для предсказания вероятности злокачественной трансфор-
мации после облучения в низких, находящихся в области ниже
0,1 Гр, дозах, где прямое измерение этого показателя практически
невозможно. Трудность состоит в том, что при столь малых дозах
количество индуцированных опухолей очень мало и трудно выяв-
ляемо на фоне высокого уровня спонтанного канцерогенеза (на-
помним, что у человека вероятность заболеть раком в течение жиз-
ни превышает 15%).
Можно лишь предположить возможные формы кривых зави-
симости частоты возникновения опухолей от дозы излучения, ис-
пользуя основные радиобиологические концепции.
На рис. 17.12 представлены четыре формы теоретических кри-
вых.
1. Наиболее ранняя гипотеза, имеющая много сторонников и
по сей день, исходит из линейной зависимости частоты возникно-
335
вения (Г) опухолей от дозы (D), описываемой простейшим уравне-
нием: 1= С + aD, где С — частота опухолей в необлученной кон-
трольной популяции, а — коэффициент, определяющий наклон
линейной кривой.
2. Квадратичная форма кривой, исходящая из предположения
о том, что для трансформации нормальной клетки в опухолевую
требуется два независимых события. Такая зависимость выража-
ется функцией / = С + р/Д где частота возникновения опухолей
зависит от квадрата дозы (Р — коэффициент, определяющий фор-
му кривой).
3. Промежуточная зависимость доза — эффект является ли-
нейно-квадратичной, описываемой уравнением, объединяющим
два первых 1= С + aD + р/Л Эту модель сейчас рассматривают как
наиболее привлекательную, поскольку в своей начальной части,
т. е. в области малых доз, если исходить из беспороговой концеп-
ции, зависимость является линейной.
4. Линейно-нелинейная зависимость исходит из существова-
ния пороговой дозы.
Вариабельность описанных в этом разделе экспериментальных
и эпидемиологическихданных не позволяет, однако, безоговороч-
но признать правоту какой-либо одной из этих концепций по
сравнению с другими.
17.2.4. МЕХАНИЗМ СОМАТИЧЕСКИХ ОТДАЛЕННЫХ
ПОСЛЕДСТВИЙ ОБЛУЧЕНИЯ
Соматические отдаленные последствия облучения часто ото-
ждествляют с изменениями, происходящими при естественном
старении. Этой точке зрения во многом способствует феномено-
логическое сходство обоих явлений: возникновение злокачествен-
ных опухолей, развитие катаракт, склерозирование сосудов, посе-
дение, ослабление эластических свойств кожи и т. д. Так как в
результате облучения продолжительность жизни сокращается и
указанные изменения наступают в более раннем возрасте, говорят
об ускоренном радиационном старении организма.
Однако наряду с внешним сходством этих явлений существуют
и различия. Признание точки зрения на отдаленные последствия
облучения как на ускоренное старение не обеспечивает прогресса
в понимании их механизмов, ибо современная геронтология также
не имеет пока надежной теории и еще далека от познания точных
причин старения организма. Однако есть основания предполо-
жить, что формирование основных отдаленных последствий облу-
336
чения (сокращения продолжительности жизни и развития злока-
чественных новообразований) имеет если не единый механизм, то
во многом является следствием каких-то общих молекулярно-кле-
точных изменений.
При рассмотрении вопросов пострадиационного восстановле-
ния (см. гл. 13) отмечалась неполноценность многих восстанови-
тельных процессов, особенно ярко проявляющаяся в тканях с низ-
ким уровнем физиологической регенерации. Именно клетки этих
тканей вследствие очень слабо протекающих процессов репара-
ции как бы запоминают имевшее место радиационное воздейст-
вие, и их функциональная неполноценность легко выявляется в
экспериментах, предусматривающих возможность регистрации
той или иной функции. Если учесть, что организм млекопитаю-
щих состоит преимущественно из стабильных (в цитокинетиче-
ском отношении) органов, то можно предположить, что в течение
длительного времени после облучения он представляет собой
функционально неполноценную систему. Ярким следствием уни-
версального характера функциональной неполноценности орга-
низма, на наш взгляд, и является формирование такой интеграль-
ной реакции, как сокращение продолжительности жизни, которое
можно рассматривать как проявление необратимой компоненты
лучевого поражения.
В этом аспекте следует согласиться с неоднократно высказы-
вавшейся С.Н. Александровым (1969—1979) точкой зрения, что
начальные изменения, составляющие основу отдаленной лучевой
патологии, могут не иметь существенного значения в проявлениях
острого лучевого синдрома, причем не столько по характеру кле-
точных нарушений, сколько по тому, что при остром лучевом по-
ражении они фатальны для активно пролиферирующих систем
клеточного обновления, но практически бесследны для стабиль-
ных тканей.
Иначе говоря, если для правильной интерпретации механизмов
летального действия ионизирующего излучения решающее значение
имеет изучение закономерностей гибели облученных клеток, то для
понимания отдаленных последствий облучения и, в частности, его
влияния на продолжительность жизни — изучение тех клеток, ко-
торые выживают после облучения.
Исследования отдаленных последствий облучения, проявляю-
щихся у потомков выживающих облученных дрожжевых клеток,
впервые были описаны Г.А. Надсоном (1920). Лишь в 1979 г. эти
исследования были продолжены В.И. Корогодиным и М.Н. Мяс-
ником в опытах на диплоидных дрожжевых организмах, по радио-
337
биологическим реакциям сходных с клетками млекопитающих в
культуре. В этих работах установлено, что при дозах, вызывающих
гибель 50% клеток и более, потомки большинства выживших кле-
ток оказываются измененными в наследственном отношении
(аналогия с соматическим мутагенезом.— Примеч. авт.). Тщатель-
ный анализ нескольких десятков семейств таких клеток показал,
что облучение вызывает у них неустойчивое состояние ядерного
аппарата на протяжении сотен клеточных генераций, вследствие
чего в клонах этих клеток при размножении все время происходит
выщепление как нежизнеспособных, отмирающих, элементов,
так и клеток с различными наследуемыми нарушениями морфоло-
гических и физиологических функций. Некоторые из таких «ра-
диорас» отличаются пониженной скоростью размножения и высо-
кой чувствительностью к различным воздействиям (например,
температурным), нелетальным для контрольных клеток. Другие
«радиорасы» характеризуются безудержным, неупорядоченным
ростом, сопровождающимся появлением новых морфологических
вариантов, напоминая в этом отношении злокачественный рост.
Не исключено, что аналогия между опухолевыми клетками и
расами дрожжей, полученными после облучения, представляет со-
бой больше, чем внешнее сходство, и основана на подобных изме-
нениях их ядерного аппарата, т. е. изменениях, вызываемых облу-
чением на молекулярном уровне. Ранее эти вопросы были рас-
смотрены в гл. 7 на примере животных клеток, у которых после об-
лучения также выявлялась и повышенная в ряду поколений гибель
потомков облученной клетки, и их генетическая нестабильность.
Это проявляется, в частности, в снижении функциональной ак-
тивности клеток, что влияет и на жизнеспособность целостного
организма.
Примером изменений, происходящих в клетках «стабильных»
органов и не выявляемых в обычных условиях, могут служить ре-
зультаты опытов, в которых проводили локальное облучение пече-
ни крыс с последующей интегральной оценкой функционального
состояния ткани печени по динамике массы ее регенерата после
частичной гепатэктомии (см. гл. 13). К моменту, когда в контроле
восстановление массы заканчивалось, регенерация облученной
печени была сильно подавлена и даже восстановление, происходя-
щее значительно позднее, составляло ~ 50% (см. рис. 13.13).
Подобные опыты демонстрируют роль нарушения функции
мутировавших генов, контролирующих процессы синтеза в неде-
лящихся тканях взрослого организма на протяжении всей жизни.
Можно представить существование определенного типа наруше-
338
ний ядерного аппарата, имеющих значение для тканей с низким
темпом физиологической регенерации, где клетки не погибают
вскоре после облучения, а сохраняются в организме. Неполноцен-
ность пострадиационного восстановления организма облученных
животных приводит их к большей подверженности различным за-
болеваниям, неблагоприятному влиянию физиологических пере-
грузок и различных внешних агентов, а в итоге к более быстрому
изнашиванию организма и сокращению продолжительности жиз-
ни. Это, возможно, является следствием увеличения выхода таких
нелетальных мутаций в результате облучения.
Интересны модельные опыты, проведенные М.Н. Мясником и
В.И. Корогодиным на бактериях Е. coli. Выращивание облученных
бактерий при различных условиях показало, что выживаемость их
тем ниже, чем пагубнее соответствующие условия действуют на
жизнеспособность необлученных клеток. Облучение резко усили-
вает неблагоприятное влияние внешней среды: так, если опреде-
ленные колебания температуры или солевого состава среды при
культивировании изменяют жизнеспособность необлученных
клеток на 10—15%, то у облученных клеток она может изменяться
в этих условиях в 100 раз и более. Исследования, проведенные на
различных генетических группах бактерий, выявили, что облуче-
ние усиливает проявление тех генетически обусловленных при-
знаков и свойств клеток, которые и без облучения приводят клетки
к гибели с некоторой вероятностью. Существует множество мута-
ций, незначительно нарушающих различные стороны обмена. Та-
кие мутации могут происходить во многих клетках, но их действие
в необлученных клетках проявляется слабо и лишь в определен-
ных «провокационных формах», т. е. при определенных изменени-
ях внешних условий. После облучения летальный эффект таких
генов во много раз увеличивается, особенно при отклонениях ус-
ловий культивирования от оптимальных для данных организмов,
что и приводит к повышению чувствительности облученных кле-
ток к колебаниям внешних условий. В результате даже незначи-
тельные изменения, мало влияющие на жизнедеятельность кон-
трольных клеток, у облученных могут вызвать различные наруше-
ния обменных процессов и даже гибель. Не исключено, что эта за-
кономерность имеет общебиологический характер.
Все сказанное о возможной роли мутационных событий в отда-
ленной лучевой патологии в равной степени относится и к активно
пролиферирующим тканям. Дело в том, что практически все вновь
возникающие мутации затрагивают лишь один из гомологичных
участков парных хромосом, составляющих геном соматических
339
клеток, т. е. эти мутации находятся в гетерозиготном состоянии.
Как справедливо замечал С.Н. Александров (1980), раньше счита-
ли, что существующие в этих условиях мутации либо вызывают ги-
бель клеток (доминантные летали, аберрации), либо не проявля-
ются вообще (рецессивные, генные мутации). Однако в настоящее
время убедительно показано, что гетерозиготные мутации способ-
ны существенно изменять клеточный метаболизм. Встречаются
специфические отклонения и у людей, практически всегда гетеро-
зиготных по генам; такие заболевания, как фенилкетонурия, ака-
талазия и серповидная анемия имеют в своей основе рецессивную
наследственную недостаточность.
Итак, основу отдаленной лучевой патологии на клеточном
уровне составляют три типа нарушений, возникающих в резуль-
тате непосредственного воздействия радиации:
1 — эффекты, вызывающие клеточную гибель, — имеют зна-
чение для патогенеза последствий, заключающих в себе невоспол-
нимую утрату камбиального резерва (стволовых клеток), напри-
мер, изменения в гонадах при лучевой кастрации;
2 — стойкие нарушения (консервирующиеся наследственные на-
рушения) — наибольшее значение имеют для тканей с низким уров-
нем физиологической регенерации, проявляясь в отдаленные сроки;
3 — нелетальные наследственные изменения — нарушения,
стойко репродуцирующиеся при размножении соматических кле-
ток. Решающее значение они имеют в тканях с быстро обновляю-
щимся клеточным составом, ибо, возникнув в камбиальных эле-
ментах, они могут неопределенно долго воспроизводиться.
Все это дает основание для заключения о том, что один из меха-
низмов формирования отдаленных последствий облучения состо-
ит в накоплении повреждений в генетическом аппарате соматиче-
ских клеток. Весьма вероятно, что такие нарушения участвуют в
развитии нефросклероза, катаракты, ослабления эластичности
кожных покровов и различных нейродистрофических расстройств.
В развитии отдаленной лучевой патологии нельзя не учитывать
и возможную роль различных эпигеномных нарушений, тем более
что попытка ее объяснения только с позиций мутационной гипо-
тезы встречает ряд трудностей. По данным литературы, во-пер-
вых, не совпадают мощности доз, «удваивающих» скорость старе-
ния (12,8 сГр/сут) и частоту мутаций в половых клетках
(0,5 сГр/сут). Во-вторых, установлены факты увеличения продол-
жительности жизни различных объектов при определенных режи-
мах и дозах излучения. В-третьих, практически у всех изученных
видов животных жизнеспособность самок всегда выше, чем у сам-
цов, тогда как сокращение продолжительности жизни, если оно
340
вызывается соматическими мутациями, должно быть более выра-
женным у гетерогаметного пола, т. е. у самцов, вследствие возмож-
ных мутаций половой хромосомы.
Кроме ядерных и эпигеномных нарушений в облученных клет-
ках, на развитие отдаленных последствий опосредованное влия-
ние могут оказывать нарушения нейроэндокринной регуляции,
определяющие снижение ряда адаптивных возможностей орга-
низма. Примеры подобных дистанционных или опосредованных
влияний рассматривались в предыдущих главах. Опосредованный
компонент четко выражен также и в механизме возникновения
злокачественных опухолей, как это показано ранее, особенно при
тотальном облучении, где он может иметь определенное значение.
Данные о специфических механизмах радиационного сокра-
щения продолжительности жизни получены при анализе кривых
гибели животных. Исследования показали, что уменьшение про-
должительности жизни, вызываемое облучением, обусловлено не
каким-либо одним заболеванием, а ускорением наступления
смерти от всех причин вообще. И хотя отдаленные гистологиче-
ские изменения, вызываемые облучением, в целом не отличаются
от наблюдаемых при естественном старении, они могут иметь ло-
кальный характер. В связи с последним обстоятельством находит-
ся, по-видимому, и тот факт, что последовательность и частота
проявления причин, вызывающих смерть при старении животных
в облученных и необлученных группах, не совпадают. Это указы-
вает на различие в механизмах, обусловливающих смертность об-
лученных и старых животных.
Наиболее интересные и убедительные доказательства этому
получены в экспериментах Д. Сторера и Дж. Юхаса при оценке ра-
диочувствительности животных разного возраста как показателя
старения. В одном из них показано [Сторер Д., 1962], что ЛД50/30 у
мышей с возрастом (после определенного) линейно снижается до
60—70% от исходного уровня, причем на динамику этого показате-
ля гфедварительное облучение не влияет. Иначе изменяется сред-
няя продолжительность жизни животных при ежедневном облуче-
нии в дозе 1 Гр. Наиболее резистентны по этому показателю жи-
вотные в возрасте 170 дней, а затем наблюдается почти линейное
снижение устойчивости, причем животные, подвергнутые предва-
рительному облучению, более чувствительны, чем контрольные.
И наконец, интенсивность репарации, определяемая методом по-
вторного облучения, резко снижается с возрастом, причем в боль-
шей степени у предварительно облученных животных.
341
Рис 17.13. Изменение продолжительности жизни самок мышей линии
С57 BI/6J при облучении (по Дж. Юхасу и др., 1969):
1 — фракционированное облучение в разном возрасте по 1 Гр/сут 5 раз в неделю;
2 —животные тех же возрастов, облученные в том же режиме, но через 30 сут после
предварительного облучения в дозе 5 Гр; различными символами помечены результаты
разных экспериментов
Разная форма и степень изменения использованных показате-
лей с возрастом дают основание предполагать, что каждый из них
отражает степень нарушений отдельных систем. Следовательно,
облучение, по-видимому, не вызывает истинного неспецифиче-
ского преждевременного старения, а избирательно повреждает оп-
ределенные системы органов, различно функционирующие в за-
висимости от возраста. В последующих исследованиях [Юхас Дж.
и др., 1969] еще более четко продемонстрировано различие в про-
явлении отдаленных последствий при изучении кинетики оста-
точного поражения в зависимости от возраста. На рис. 17.13 пока-
зано, что средняя продолжительность жизни мышей, подвергну-
тых фракционированному облучению (1,4 Гр/сут, по 5 сут в неде-
лю до гибели), имеет параболическую зависимость от возраста (от
342
3 до 23 мес), в то время как при таком же режиме облучения, но
произведенном через 30 сут после предварительного однократного
облучения в дозе 5 Гр, средняя продолжительность жизни с воз-
растом снижается. На основании экспериментов с транспланта-
цией костного мозга животным разного возраста после летального
облучения и последующего контроля за выживаемостью и средней
продолжительностью жизни авторы пришли к заключению, что
обнаруженные возрастные различия в динамике остаточного по-
ражения связаны не с кроветворной системой, а с особенностями
лучевых реакций кишечника, который с возрастом повреждается
сильнее.
Дж. Юхас (1971) провел экспериментальную проверку спра-
ведливости пяти гипотез, которыми пытались объяснить ослабле-
ние чувствительности животных с возрастом к укорачивающему
продолжительность жизни действию облучения. Установлено, что
сокращение продолжительности жизни после 10-кратного ежесу-
точного фракционированного облучения в суммарной дозе 14 Гр
составило у 4- и 9-месячных мышей соответственно 120 и 30 сут по
сравнению с соответствующим возрастным контролем. Продол-
жительность жизни мышей трех групп, подвергнутых облучению в
более позднем возрасте (450-, 540- и 730-суточных), не только не
сократилась, а даже увеличилась на 53—65 сут. Полученные ре-
зультаты нельзя объяснить недостаточностью времени для выяв-
ления повреждения; они противоречат тождеству старения и луче-
вого поражения и не могут быть объяснены селективной выборкой
в популяции, обусловленной сильным летальным эффектом или
«нормальным износом». Как предполагает автор, с возрастом сни-
жается чувствительность к некоторым заболеваниям, а ионизи-
рующее излучение оказывает на старых заболевших животных
терапевтическое действие.
Совокупность изложенных данных, а также результаты эпиде-
миологических исследований в Хиросиме и Нагасаки также противо-
речат представлениям об идентичности радиогенного сокращения
продолжительности жизни и процессов старения.
17.2.4.1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РАДИАЦИОННОГО
КАНЦЕРОГЕНЕЗА
Радиационный канцерогенез напрямую связывают с неотрепа-
рированными или неверно репарированными поражениями моле-
кул ДНК, в первую очередь, двойных разрывов. Поражения от-
дельных оснований в канцерогенном эффекте радиации в отли-
343
чие от случая спонтанных мутаций, по-видимому, имеют меньшее
значение. Наиболее частым следствием ошибочной репарации яв-
ляется утеря гетерозиготности, причем помимо гена, на участке
которого произошел разрыв ДНК, гетерозиготность распростра-
няется на проксимально и дистально лежащие гены. Ошибочная
репарация приводит к делециям и реципрокным транслокациям.
Их следствием является инактивация генов-супрессоров, хотя в
литературе имеются указания и на роль активации протоонкоге-
нов в индукции лейкозов и лимфом.
Важную роль в онкогенезе играют хромосомные перестройки.
В качестве примера приведем повышенное образование хромо-
сомных повреждений в лимфоцитах, облученных на стадии G2, об-
наруженное у больных опухолями толстого кишечника и молоч-
ной железы — новообразованиями, характеризующимися высо-
кой частотой наследственного риска. Повышенная радиочувстви-
тельность хромосом, указывающая на дефект системы репарации,
обнаружена у 40% больных раком молочной железы и у 30% боль-
ных опухолями толстой и прямой кишок. У взятых в исследование
здоровых лиц повышенная радиочувствительность отмечена в 9%
случаев, а у больных раком шейки матки (опухоли, не связанной с
наследственной предрасположенностью) — в 11%.
Хромосомные перестройки в основном связаны с инактиваци-
ей генов — опухолевых супрессоров. В опухолях, происхождение
которых определенно связано с облучением, выявлены транслока-
ции и делеции, которые можно ассоциировать с этим процессом.
Примером служит высокая индукция остеосарком при лучевом ле-
чении ретинобластом, которая ассоциирована с потерей гена-су-
прессора RB, локализованного на участке 13q 14. В менингиомах и
опухолях прямой кишки, возникших у больных после лучевой те-
рапии первичной опухоли, обнаружены гиподиплоидия (умень-
шение числа хромосом относительно нормы) с многочисленными
делениями. У некоторых линий мышей облучение приводит к раз-
витию острого миелоидного лейкоза, ассоциируемого с рано воз-
никающей делецией пока не установленного гена-супрессора в
хромосоме 2. Сама по себе такая делеция (делеции) недостаточна
для опухолевой трансформации, так как несущие их клетки могут
в течение длительного времени находиться в малоактивном со-
стоянии, и для перехода к активной клональной экспансии этих
клеток требуются некие, пока неидентифицированные вторичные
события. Одно время широко обсуждалась возможная роль инак-
тивации гена-супрессора р53 как причины радиационной транс-
формации, так как продукты этого гена выполняют многочислен-
344
ные надзорные функции за состоянием генома, в частности спо-
собствуют запуску апоптотического механизма гибели клетки при
обнаружении повреждений ДНК в момент прохождения клеткой
«сверочных точек» генерационного цикла. Детальное изучение
этого вопроса не дало данных о прямой связи радиационного по-
ражения этого гена с злокачественным перерождением клетки,
хотя у гетерозиготных по р53 нокаутных1 мышей значительно по-
вышена частота радиационно-индуцированных опухолей и сокра-
щен латентный период их формирования по сравнению с наблю-
даемыми у животных дикого (не нокаутных) типа.
В литературе пока нет данных о частоте радиационно-индуци-
рованных опухолей у животных, дефицитных по другим контроли-
рующим генам, например, BRCA1, BRCA2m Rad5J, хотя желатель-
ность таких экспериментов для изучения роли их продуктов, в том
числе белков репарации ДНК, в радиационном канцерогенезе не
вызывает сомнения.
Относительно активации излучением онкогенов можно лишь
отметить, что в некоторых радиационно-индуцированных лимфо-
мах мышей наблюдали мутации в генах семейства RAS, а среди ин-
дуцированых излучением остеосарком — хромосомные трансло-
кации и амплификацию гена C-MYC. Амплификация этого онко-
гена выявлена в радиационно-индуцированных раках кожи у
крыс, причем в нормальных эпидермальных клетках, также всту-
пивших в деление для возмещения радиационной утери клеток,
C-MYC не амплифицировался. Интенсивное изучение возможно-
сти злокачественной трансформиции через активацию онкогенов
проводится на папиллярных раках щитовидной железы у детей,
подвергшихся облучению в результате Чернобыльской аварии. У
них гораздо чаще, чем в случае спорадических опухолей, выявля-
ются перестройки онкогена RET, характеризующиеся утерей
трансмембранного и экстрацеллюлярного доменов с их заменой
частями других генов. В результате рекомбинации образуется хи-
мерный RET/РТС, кодирующий постоянно активный рецептор
тирозинкиназы. Среди транслоцировавшихся генов чаще всего
обнаруживаются ELE1 — транскрипционный коактиватор рецеп-
тора андрогенов (перестройка РТСЗ) и ген Н4 (перестройка
РТСГ). С меньшей частотой встречаются транслокации других ге-
нов, однако во всех случаях результатом является выход гена RET
1 Нокаутныс животные — животные, у которых методами генной инженерии
удален тот или иной ген; в данном случае удален ген р53, причем только в одном из
двух аллелей, на что указывает термин гетерозиготный.
345
из-под физиологического контроля и повышенная экспрессия
RET тирозинкиназы. Указанные перестройки встречаются и в
опухолях, не ассоциированных с облучением, но в ряде работ гово-
рится о более высокой частоте перестроек RET/PTC3 в Черно-
быльской зоне. Перестройки гена RET выявлены и при экспери-
ментальном облучении клеток щитовидной железы человека в вы-
соких дозах.
17.3. Генетические отдаленные последствия
облучения
Генетические отдаленные последствия или наследственные забо-
левания (или нарушения) относятся ко второй группе стохастиче-
ских эффектов облучения, которые проявляются не у самих облу-
ченных людей, а в их потомстве. Они являются следствием радиа-
ционных мутаций в зародышевых клетках облученных родителей,
в отличие от злокачественных новообразований, возникающих в
результате мутаций в соматических клетках самих облученных
объектов.
Геном человека содержит от 50 000 до 100 000 генов. Поэтому
потенциальное число возможных мутаций и, следовательно, веро-
ятность возникновения различных генетических нарушений в
принципе огромно. Распространенная точка зрения о том, что ио-
низирующие излучения способны индуцировать особенных, фан-
тастических мутантов и монстров абсолютно не верна. На самом
деле не существует каких-либо специфических радиационных му-
таций, облучение лишь увеличивает вероятность проявления
спонтанных мутаций, т.е. тех самых, которые обычно регистриру-
ются в естественных природных условиях.
Различаюттри категории наследственных заболеваний — мен-
делианские, хромосомные и мультифакториальные.
Менделианские (генные) нарушения являются следствием му-
таций в единичных генах одной или двух аутосом или половых хро-
мосом. Они могут быть доминантными, рецессивными и связан-
ными с полом.
Хромосомные нарушения проявляются в виде изменения (уве-
личения или уменьшения) числа хромосом, а также изменения их
структуры (хромосомные аберрации).
Мультифакториальные нарушения обязательно имеют генети-
ческий компонент, но не могут быть описаны как просто мендели-
346
анские. В табл. 17.4 приведены примеры всех трех видов наследст-
венных нарушений.
Таблица 17.4. Наследственные радиационные эффекты
(по Э. Холлу, 2000)
Тип генетического эффекта Примеры
Генные мутации* Одиночные доминантные 736 (753) Рецессивные 521 (596) Сцепленные с полом 80 (60) Полидактилия, хорея Гентигтона Серповидная анемия, ретинобласто- ма Цветовая слепота, гемофилия
Хромосомные изменения Изменение числа хромосом Хромосомные аберрации Синдром Дауна (трисомия, дополни- тельная 21-я хромосома), гибель эм- бриона Гибель эмбриона, умственная отста- лость, физические дефекты
Мультифакториальные расстройства Врожденные ненормальности и урод- ства Хронические болезни Неврологические дефекты (spina bifida), врожденное расщепление губы, расщепление мягкого неба Диабет, эссенциальная гипертония, коронарная болезнь сердца
количество типов генных мутаций, относящихся к числу болезней человека, извест- ных как связанные с мутациями. Для сравнения в скобках указано общее число известных и вероятных болезней.
17.3.1. ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННЫХ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РИСКОВ
Существует два пути оценки рисков радиационных наследст-
венных нарушений в потомстве. Первый — сравнение числа ра-
диационно-индуцированных мутаций с наблюдающимся спон-
танным фоном и выражением результатов в виде так называемой
удваивающей дозы, т. е. уровня излучения, при котором в данной
генерации (поколении) возникает число радиационных мутаций,
равное числу спонтанных мутаций. Удваивающая доза определя-
ется отношением средней частоты спонтанных и радиацион-
но-индуцированных мутаций в одних и тех же генах.
Концепцию удваивающей дозы применяют в экспериментах
на животных для оценки риска возможных наследственных эф-
фектов, исходя из предположения: «если в природе происходят эти
эффекты, то радиация индуцирует их же». Это и составляет поня-
тие относительного мутационного риска.
При втором, альтернативном подходе частота спонтанных (ес-
тественных) мутаций игнорируется и просто оценивается число
347
нарушений, вызываемых мутациями в первом поколении. Это
дает оценку прямого, или абсолютного мутационного риска.
История оценок радиационного генетического риска насчи-
тывает значительно большее число лет, чем канцерогенного, и со-
держит как драматические эпизоды, так и удивительные, по сей
день мало понятные факты.
Как отмечалось в гл. 2, первые наблюдения о вызываемых ра-
диацией изменениях генетического аппарата и их наследовании в
ряду клеточных генераций были получены замечательными рус-
скими исследователями Г.А. Надсоном и его учеником Г.Ф. Фи-
липповым в 1925 г. в экспериментах на дрожжевых клетках. К со-
жалению, это крупнейшее открытие не получило тогда должной
оценки.
Лишь в 50-х годах, после ставших классическими и удостоен-
ных Нобелевской премии работ Г.Й. Мёллера, установившего му-
тагенный эффект ионизирующих излучений в экспериментах на
дрозофиле, радиационно-генетические исследования стали ши-
роко проводиться во всем мире. Со времени получения первых
данных, полученных на дрозофилах, оценки риска из года в год не-
уклонно снижались.
Как видно из табл. 17.5, все показатели возможного генетиче-
ского риска за 30 лет исследований, проводившихся с середины
50-х по середину 80-х годов, уменьшились существенным образом.
Таблица 17.5. История оценок коэффициентов генетического риска
Организация,* год Удваивающая доза, Зв Мутационная фракция, % Коэффициент риска, %
BEIR, 1956 НКДАР, 1988 0,4 1,0 100 14 0,5 0,3
*Полное название организаций и описание их деятельности приведены в гл. 24.
Оценка удваивающей дозы возросла в два раза, даже если не
принимать в расчет полученное поначалу (и потом оказавшееся
ошибочным) значение удваивающей дозы 0,05 Зв. Однако именно
первоначальное значение удваивающей дозы в свое время «напу-
гало» специалистов, причастных к противорадиационной защите.
Решающее влияние на оценку радиационно-генетического
риска оказали результаты исследования, осуществленного Л.Б. и
У.Л. Расселами в Окриджской национальной лаборатории США
на 7 млн инбредных мышей обоего пола.
348
Рис. 17.14. Возникновение мутаций на локус (л) у мышей как функция
дозы излучения при высокой и низкой мощности дозы (по У. Расселу,
цит. по Э. Холлу, 2000):
/ — острое облучение с высокой мощностью дозы; 2 — хроническое облучение с мощ-
ностью дозы 0,8 Р/мин
В этом исследовании, известном как проект «Мега-мышь»,
было изучено 7 специфических мутаций в отдельных локусах, 6 из
которых были связаны с изменением окраски шерсти, а одна при-
водила к задержке роста ушей. Эти мутации встречаются и спон-
танно, но их частота возрастает в результате облучения. Облучение
проводят в широком диапазоне доз, при различных мощностях
дозы и ее фракционировании.
В результате проведенного уникального по объему и значимо-
сти исследования было сделано пять чрезвычайно важных выво-
дов.
1. Радиочувствительность в отношении индукции различных
мутаций у мышей сильно варьирует с коэффициентом ~ 35,что по-
зволяет оценивать результаты лишь в терминах средней частоты
мутаций.
2. В отличие от дрозофил в опытах на мышах сильно выражен
ослабляющий эффект уменьшения мощности дозы (рис. 17.14.),
349
что свидетельствует о функционировании у этих животных мощ-
ных систем пострадиационной репарации1.
3. Самцы мышей отличаются значительно большей радиочув-
ствительностью, чем самки. Это особенно проявляется при низ-
кой мощности дозы, когда учащение мутаций у самок вообще мало
вероятно даже при дозах в несколько грей (нескольких сотен рад).
Эти половые различия важно учитывать в практическом плане,
имея в виду, что носителями генетического груза в популяции,
подвергшейся облучению при низкой мощности дозы, являются
самцы.
4. Частота генетических последствий у мышей сильно снижа-
ется с удлинением интервала времени между облучением и опло-
дотворением. Это прежде всего связано со стадией сперматогене-
за, на которой произошло облучение. При спаривании непосред-
ственно после облучения в оплодотворении участвует сперма,
подвергшаяся облучению на стадии зрелых сперматозоидов, в свя-
зи с чем возникает относительно наибольшее число мутаций. В
противоположность этому при спаривании через несколько не-
дель после облучения сперма, используемая для оплодотворения,
подвергалась облучению на ранних стадиях, что вызвало меньшее
число индуцируемых мутаций. Отсюда следует вывод, что сниже-
ние частоты мутаций со временем после облучения является след-
ствием процессов репарации.
Полученная в эмпирических наблюдениях информация об ос-
лаблении радиационных генетических последствий с удлинением
интервала времени между облучением и оплодотворением чрезвы-
чайно важна в практическом отношении и постоянно учитывается
в генетических исследованиях. У мышей интервал в 2 мес достато-
чен для максимального снижения эффекта облучения. Аналогич-
ным периодом у человека считают 6 мес. Это всегда принимается
во внимание при диагностическом и лечебном облучении челове-
ка, когда в поле воздействия вовлекаются гонады.
5. Оценки удваивающей дозы, принятые BEIR V и НКДАР-88,
составили 1 Гр при малой мощности дозы. Эти оценки получены
расчетным путем на основании сопоставления эксперименталь-
ных данных о числе мутаций в определенном локусе мышей с воз-
1 Напомним, что нами впервые был обнаружен ослабляющий эффект пролон-
гирования облучения в отношении соматического мутагенеза, а именно — сниже-
ние частоты хромосомных аберраций в клетках печени крыс при хроническом
и/или фракционированном воздействии по сравнению с однократным облучением
в одной и той же суммарной поглощенной дозе (см. гл. 13).
350
можным их числом в локусах человека. При этом учитывалось, что
облучение человека обычно происходит при низкой мощности
дозы, а эксперименты на мышах были проведены при остром об-
лучении.
С учетом прежних оценок удваивающей дозы, которая при раз-
ных условиях облучения составляла от 0,2 до 2 Гр и от 0,5 до 2,5 Гр,
а также при крайне малых реальных наследственных радиацион-
ных эффектах у человека BEIR и НКДАР, полагают, что в после-
дующем соответствующие оценки будут снижаться.
Следует признать, что до настоящего времени радиационно-гене-
тические последствия вообще не найдены в потомстве облученных
людей, включая японские когорты, население, пострадавшее в
результате инцидентов на Южном Урале и вследствие Чернобыль-
ской аварии1, и весь прогноз генетического риска пока целиком ос-
нован на экстраполяции данных опытов на животных.
Между тем, анализ рассмотренных материалов свидетельству-
ет о чрезвычайно важном факте — существовании больших коли-
чественных межвидовых различий в проявлении радиационно-ге-
нетических эффектов. В ряду дрозофила — мышь — человек вы-
ход мутаций на единицу дозы, максимально выраженный у дрозо-
филы, резко снижается у мыши (особенно при пролонгированном
облучении) и практически нивелируется у человека.
Наиболее вероятным объяснением этого феномена представ-
ляется разная степень эффективности механизма пострадиацион-
ной репарации, который совершенствовался по мере эволюции и
достиг максимума у человека. Важнейшим фактором, определяю-
щим эффективность репарации, по-видимому, является фактор
времени, о чем свидетельствует как ослабление эффекта при про-
лонгировании радиационного воздействия, так и при удлинение
интервала между облучением и оплодотворением. Поэтому удли-
нении всех жизненных циклов (отдельных стадий сперматогенеза,
его общей длительности и продолжительности жизни эмбриона),
что и имеет место в ряду дрозофила — мышь — человек, должно
облегчать репарационные процессы.
Справедливость постулируемого механизма нуждается в экс-
периментальной проверке. Независимо от этого, сами по себе из-
ложенные факты позволяют прийти к заключению, что радиаци-
1 Речь не идет о тератогенных эффектах — врожденных уродствах у детей, под-
вергшихся облучению в утробе матери, которые следует рассматривать не как гене-
тические эффекты, а как разновидность соматических последствий облучения пло-
да (см. гл. 18).
351
онный генетический риск как фактор, учитываемый при регла-
ментации уровней облучения, прочно переместился на место, го-
раздо менее значимое, чем радиационно-канцерогенный риск.
РЕЗЮМЕ
• Терминологически следует различать две группы отда-
ленных эффектов облучения: с одной стороны — соматиче-
ские и генетические (наследственные) последствия, а с дру-
гой — стохастические и нестохастические.
• Соматические являются следствием радиационных мута-
ций в соматических клетках непосредственно подвергшегося
облучению индивидуума. К ним относятся: сокращение про-
должительности жизни, катаракта, фиброз и склероз различ-
ных органов, злокачественные новообразования.
• К генетическим эффектам относятся наследственные за-
болевания, уродства и другие пороки развития, возникающие в
потомстве облученных родителей, как следствие радиацион-
ных мутаций в их зародышевых клетках.
• Злокачественные новообразования и наследственные эф-
фекты являются стохастическими (вероятностными) послед-
ствиями, теоретически они не имеют порога, и с возрастанием
дозы увеличивается вероятность их возникновения, но не тя-
жесть поражения. Все остальные отдаленные последствия име-
ют нестохастический, детерминированный характер. Они воз-
никают при определенной дозе, причем с ее увеличением рас-
тут и частота и тяжесть их проявления.
• Данные о соматических эффектах, в том числе и о радиа-
ционном канцерогенезе, получены как в экспериментальных
исследованиях, так и непосредственно у человека — в резуль-
тате анализа различных радиационных аварий, контакта с из-
лучением в производственных условиях, а также изучения ос-
ложнений лечебного применения ионизирующих излучений.
• Сокращение продолжительности жизни четко зарегист-
рировано у мелких лабораторных животных, в первую очередь
у мышей. Согласно расчетам МКРЗ, в среднем на каждый слу-
чай радиогенного рака человека утрачивается 13—15 лет жиз-
ни, однако строгих эпидемиологических данных на этот счет
пока не зарегистрировано.
352
• Генетические эффекты оценивают величиной удваиваю-
щей дозы — уровня излучения, при котором в данной генера-
ции (поколении) возникает число радиационных мутаций,
равное их спонтанному уровню.
• Удваивающая доза для человека, согласно BEIR V и
НКДАР-88, составляет 1 Гр при малой мощности дозы. Эти
оценки получены расчетным путем на основании сопоставле-
ния экспериментальных данных о числе мутаций в определен-
ном локусе мышей с возможным их числом в локусах человека.
При этом учитывалось, что облучение человека обычно проис-
ходит при низкой мощности дозы, а эксперименты на мышах
были проведены при остром облучении.
• В проявлении радиационно-генетических эффектов су-
ществуют большие количественные межвидовые различия. В
ряду дрозофила — мышь — человек выход мутаций на едини-
цу дозы, максимально выраженный у дрозофилы, резко сни-
жается у мыши (особенно при пролонгированном облучении)
и пока не зарегистрирован у человека.
• Наиболее вероятным объяснением межвидовых различий
в проявлении генетических эффектов облучения представля-
ется разная степень эффективности механизма пострадиаци-
онной репарации на разных ступенях биологической органи-
зации; соответствующий репарационный механизм, по-види-
мому, совершенствуясь по мере эволюции, достиг максимума у
человека.
• До настоящего времени не найдены радиационно-инду-
цированные наследственные эффекты в потомстве облучен-
ных людей, включая японские когорты, а также пострадавших
вследствие ядерных инцидентов на Южном Урале и в резуль-
тате Чернобыльской аварии.
ч 0 ГЛАВА
1 О ПОСЛЕДСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ЭМБРИОНА
И ПЛОДА
Эмбрион — конгломерат делящихся и дифференцирующих-
ся клеток
Внутриутробная смертность и аномалии развития при облу-
чении эмбриона и плода — результат высокой радиочувстви-
тельности зачатков органов и их жизненного значения
Тератогенные эффекты
Непосредственные и отдаленные последствия облучения ор-
ганизма в период эмбрионального развития
Данные о действии ионизирующих излучений на эмбрион и
плод человека получены в результате изучения последствий луче-
вой терапии (при облучении области живота беременных женщин)
и исследований детей, подвергшихся внутриутробному облучению
в Хиросиме и Нагасаки. Общий вывод из этих наблюдений одно-
значен — радиочувствительность плода высокая и она тем больше,
чем он моложе.
У выживших детей повреждающее действие радиации прояв-
ляется в виде различных уродств, задержки физического и умст-
венного развития или их сочетаний. Наиболее частые уродст-
ва — микроцефалия, гидроцефалия и аномалии развития сердца.
Пороки развития и уродства, возникающие вследствие облуче-
ния in utero, объединяются термином тератогенные эффекты. С
одной стороны, их можно рассматривать как стохастические эф-
фекты, имея в виду вероятностный характер их проявления в зави-
симости от стадии эмбриогенеза, на которой произошло облуче-
ние. Однако правильнее их отнести к разновидности соматиче-
ских эффектов, так как они возникают у ребенка в результате его
непосредственного облучения в состоянии эмбриона или плода.
Во всяком случае тератогенные эффекты не следует смешивать с
наследственными эффектами, возникающими в не подвергавше-
муся непосредственному радиационному воздействию потомстве
облученных родителей (см. гл. 17).
Имеющихся прямых данных у человека явно недостаточно для
установления предельно допустимой дозы облучения плода, по-
этому в действительности приходится прибегать к экстраполяции
354
на человека результатов, полученных в экспериментах на живот-
ных. Радиоэмбриологические исследования на разных видах жи-
вотных проводились очень широко и тщательно. Особенно из-
вестны в этом отношении классические работы У. Рассела, Р. Рафа
и И.А. Пионтковского.
18.1. Возрастно-специфические реакции
на облучение в эмбриогенезе
Крайне высокая радиочувствительность организма в антена-
тальном, внутриутробном периоде развития легко объяснима, так
как в это время он представляет собой конгломерат из делящихся и
дифференцирующихся клеток, обладающих наибольшей радиочувст-
вительностью.
Кроме того, при оценке биологического действия ионизирую-
щего излучения на эмбрион возникают совершенно новые про-
блемы, так как он крайне мозаичен и находится в постоянном раз-
витии. Поэтому в зависимости от времени закладки, формирова-
ния и дифференцировки тех или иных тканей, органов или систем
любая из них может оказаться крайне радиочувствительной, неза-
висимо от ее радиочувствительности во взрослом состоянии.
Например, весьма частым последствием облучения эмбриона
является микроцефалия или вообще отсутствие ЦНС, возникаю-
щие при облучении уже в дозах 0,5—2 Гр, хотя во взрослом орга-
низме подобное не наблюдается и при самых высоких дозах. По-
этому вполне справедливо считать эмбрион и плод самыми радио-
чувствительными стадиями развития любого организма.
При мозаике развивающихся центров, каждый из которых жиз-
ненно необходим для выживания эмбриона, облучение в дозах, ле-
тальных для любого центра, будет смертельным для всего организма
в целом. В этом случае радиочувствительность эмбриона определя-
ется наиболее чувствительной системой, находящейся в данный мо-
мент в состоянии активного развития.
В то же время эмбрион обладает важной особенностью, не об-
наруживаемой на иных стадиях жизненного цикла — выраженной
способностью к восстановлению, регенерации и перестройке. Уже
на самых ранних стадиях эмбрион содержит активные фагоциты,
способные поглощать и устранять продукты клеточного распада и
остатки разрушенных облучением клеток. После их удаления «ор-
ганизм в целом» старается по мере возможности заполнить обра-
зующийся дефицит оставшимися недифференцированными и не-
355
Рис. 18.1. Две крысы, подвергнутые рентгеновскому облучению в дозе 1 Гр
на девятый с половиной день после зачатия:
а — правый глаз нормальный и микрофтальмия левого; б — двусторонняя анофтальмия
(по Д. Шварцу, 1963)
Рис. 18.2. Гипофизарные карлики: крысенок, крольчонок и щенок, облучен-
ные соответственно на 18, 23 и 45-е сут антенатального развития в дозах 3,
4 и 2 Гр (рядом для сравнения представлены нормальные животные того
же возраста) (по И.А. Пионтковскому, 1964)
разрушенными первоначальными клетками, благодаря чему эм-
брион в топографическом отношении формируется нормально, но
уменьшается его масса или отдельные его органы за счет разру-
шенных облучением клеток. Это приводит к микрофтальмии (рис.
18.1), микроцефалии, замедлению роста (рис. 18.2) и другим при-
знакам потери образующихся «строительных материалов». В этих
случаях эмбрион или новорожденный выглядит внешне нормаль-
ным, но отличается меньшими размерами. Отклонения от нормы
могут быть также обнаружены при цитологическом или гистоло-
гическом анализе, по поведенческим тестам и укороченной про-
должительности жизни. При изучении развития эмбрионов рыб,
лягушек, мышей, крыс или человека наряду с некоторым сходст-
вом обнаружены и очень важные различия даже между близкими
видами, которые и определяют в последующем строгую специ-
фичность вида. Они же обусловливают и возрастно-специфиче-
ские реакции на облучение.
Различают три основных периода внутриутробного развития ор-
ганизма, в течение которых изучают повреждающее действие иони-
зирующих излучений: до имплантации, период основного органогенеза,
плодный период.
Кроме того, эмбриогенное действие радиации изучают при об-
лучении самок непосредственно перед оплодотворением. Такое
облучение вызывает гибель эмбрионов вследствие летального по-
вреждения яйцеклетки.
Облучение на ранних стадиях (до имплантации и в начале орга-
ногенеза), как правило, заканчивается внутриутробной гибелью
или гибелью новорожденного (при облучении в середине периода
органогенеза). Воздействие в период основного органогенеза вы-
зывает уродства, а облучение плода — лучевую болезнь новорож-
денного.
Наиболее исчерпывающие радиоэмбриологические исследова-
ния, проведенные на мышах, представляют чрезвычайно ценный
экспериментальный материал не только для определения хроноло-
гии уродств, но и для понимания нормальной эмбриологии.
18.2. Эффект облучения мышей на разных стадиях
внутриутробного развития
Долго дискутировавшийся вопрос о непосредственном или
опосредованном (через организм матери) механизме повреждаю-
щего действия ионизирующей радиации на плод был решен экспе-
риментально.
357
Отклонения от нопмы
До До После имплантации
оплодотворения имплантации Основной органогенез |Плод
Возраст и стадия развития эмбриона в момент облучения, сут
Рис. 18.3. Внутриутробная смертность новорожденных мышей и количество
животных с признаками отклонения от нормы к моменту родов после облу-
чения самок в различные периоды до оплодотворения в дозе 4 Гр и после
оплодотворения в дозе 2 Гр (по Л. Рассел, У. Расселу, 1954)
Убедительно показано, что эмбриогенное действие радиации яв-
ляется преимущественно прямым, возможность дистанционного
влияния на нарушение развития плода составляет не более 5% от об-
щего повреждающего действия радиации [Нейфах А.А., 1975]. Яр-
ким доказательством справедливости этого заключения могут
быть, например, данные Л. Рассел о том, что заметные отклонения
эмбриона от нормы могут быть легко вызваны на 7—8-е сут бере-
менности облучением в дозах 0,1—0,25 Гр, на которое материн-
ский организм, по существу, не реагирует. В то же время при облу-
чении матери перед зачатием в заведомо повреждающих дозах (до
4 Гр) не обнаруживается никаких признаков повреждения разви-
вающегося плода.
По наблюдениям И. А. Пионтковского (1969), изменения, воз-
никающие в нейробластах зародыша, обнаруживаются уже через
2 ч после облучения, т. е. значительно раньше, чем развивается лу-
чевой синдром у матери. Наконец, о непосредственном травми-
рующем действии радиации на эмбрион свидетельствует прямая
зависимость тератогенного (индуцирование пороков развития,
уродств) эффекта от степени радиочувствительности эмбриона,
определяемая радиочувствительностью конкретных систем на
разных стадиях развития. Общая картина, схематически представ-
ленная на рис. 18.3, подробнее будет рассмотрена ниже.
358
Рис. 18.4. Анэнцефалия у крысы (а) и экзэнцефалия (мозговая грыжа)
у мыши (б). Облучение на 9-е сут эмбриогенеза (по С. Хиксу, 1954;
Р. Рафу, 1960)
Эмбрионы до имплантации (до 5-х сут) наиболее радиочувст-
вительны к облучению — от 80 до 40% из них погибают до рожде-
ния, причем даже в этот период (с 1-х по 5-е сут) радиочувстви-
тельность с возрастом заметно понижается. Выжившие эмбрионы
обычно не имеют заметных уродств. Затем следует период
6,5—12,5 сут, когда облучение вызывает наибольшую частоту
уродств при минимальной внутриутробной смертности и наиболь-
шей гибели новорожденных. При дозе 2 Гр гибель бывает наивыс-
шей, если облучение происходит в период от9,5 до 10,5 сут и не от-
личается от контроля при облучении до 7,5 или после 11,5 сут. Та-
ким образом, период основного органогенеза (6,5—12,5 сут) следу-
ет рассматривать как наиболее радиочувствительный для большин-
ства органов и систем организма, облучение которых (в зависимо-
сти от их жизненной значимости) приводит к гибели плода, ново-
рожденного или возникновению уродств (рис. 18.4).
Это не является чем-то неожиданным, так как еще раз подтвер-
ждает общую связь радиочувствительности клеток с такими про-
цессами их жизни, как деление и дифференцировка. При этом са-
мыми радиочувствительными являются дифференцирующиеся
клетки; именно они определяют наиболее радиочувствительные
стадии в развитии определенной ткани, органа, системы. Вот по-
чему ионизирующее излучение является великолепным инстру-
359
ментом в руках эмбриологов, с помощью которого удается со зна-
чительно большей точностью, чем посредством ранее применяв-
шейся экстирпации, определять предполагаемые зоны формиро-
вания того или иного органа в эмбрионе на ранних стадиях
развития, так как известно, что дифференциация органа может
предшествовать видимому появлению его зачатка. Для наглядно-
сти ниже приведены основные аномалии развития, отмеченные в
литературе, посвященной действию радиации на эмбрион живот-
ных и человека.
Основные отклонения от нормы, обнаруживаемые у млекопи-
тающих (включая человека) после облучения плода
Мозг Глаза Скелет Другие аномалии
Отсутствие го- ловного мозга Парэнцефалия Микроцефалия Мозговая грыжа Монголизм Уменьшение продолговатого мозга Атрофия голов- ного мозга Умственная от- сталость Идиотия Нейробластома Сужение силь- виего водопровода Водянка голов- ного мозга Розетки в нерв- ной ткани Расширение третьего и бокового желудочков мозга Уменьшение или отсутствие некото- рых черепно-моз- говых нервов Полное отсутст- вие — анофталь- мия Микрофтальм Микрокорнеа Колобома Деформация ра- дужной оболочки Отсутствие хру- сталика (отдельно или в сочетании с отсутствием сет- чатки) Открытые веки Косоглазие Ретинобластома Дальнозоркость Врожденная глаукома Частичный аль- бинизм Равномерное уменьшение: за- держка роста Уменьшение че- репа Сводчатый череп Узкая голова Черепной пу- зырь Воронкообраз- ная грудь Врожденный вы- вих бедер Уменьшение и деформация хвоста Чрезмерное раз- витие и деформа- ция ног Уменьшение пальцев Пяточная стопа Нарушение раз- вития конечностей Синдактилия Брахидактилия Нарушение одонтогенеза Экзостоз боль- шеберцовой кости Изменение мета- физа Нарушение эма- леобразования Склеротомный некроз Обратное распо- ложение органов Водянка почки Водянка моче- точника Водянка яичка Отсутствие поч- ки Дегенерация го- над Атрофия нижних конечностей Депигментация и гиперпигментация кожи Двигательные расстройства ко- нечностей Увеличение ве- роятности возник- новения лейкемии Врожденный по- рок сердца Деформация уха Деформация лица Нарушение функции гипофиза Дерматомаль- ный миотомаль- ный некроз
360
Рис. 18.5. Критические периоды
облучения эмбриона мыши,
обусловливающие появление от-
клонений от нормы, с учетом
их частоты (ширина полосы) и
дозы излучения (степень за-
штрихованности). Чем шире и
сильнее заштрихована полоса,
тем больше радиочувствитель-
ность; неровный конец полосы
указывает на то, что за преде-
лами этой стадии облучение не
производили (по Л. Рассел,
1950):
1 — микрофтальмия, 2 — колобома,
3 — сужение радужной оболочки,
4— открытые веки, 5—сводчатый
череп, 6—черепной пузырь, 7—су-
женная голова, 8 — аномалия морды
и ноздрей, 9 — раздвоение остистых
отростков позвонков, 10 — аномалии
заднего прохода, 11 — аномалии мо-
чеполовой системы, 72 — укорочение
хвоста, 13 — деформация хвоста,
14— чрезмерное развитие передних
лап, 15 — чрезмерное развитие зад-
них лап, 16— уменьшение задних
лап, 17— уменьшение передних лап,
18— аномалии передних конечно-
стей, 19— аномалии задних конеч-
ностей
|100%
2Гр
тгР
Ш4Гр
0,5-4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,511,512,5 13,5
Стадия эмбрионального развития
к моменту облучения, сут
В результате тщательных радиоэмбриологических исследова-
ний Л. и У. Расселам удалось составить своеобразные времен-
но-топографические карты возникновения всех описанных ано-
малий развития. Кроме того, оригинальные данные по морфо-
функциональным изменениям ЦНС у животных, облученных в
антенатальном периоде, имеются в монографии И.А. Пионтков-
ского (1964). На рис. 18.5 приведены критические периоды появ-
ления описанных аномалий и их частота при разных дозах излуче-
ния, что позволило уточнить сроки закладки отдельных органов и
систем.
361
18.3. Последствия облучения эмбриона человека
Аномалии развития плода человека, вызываемые облучением,
экспериментально удается воспроизвести при облучении эмбрио-
нов мыши и крысы на сравнимых стадиях развития. Сопоставляя
стадии их эмбриональных структур в двух периодах беременности,
можно построить соответствующую кривую, коррелирующую эк-
вивалентные возрасты эмбрионов мыши и человека. И хотя скоро-
сти развития эмбриона мыши и человека различаются с возрастом,
особенно после 14-х сут, однако средний коэффициент приведе-
ния между ними равен приблизительно 13. Поэтому экстраполя-
ция результатов облучения эмбрионов мыши на эффекты у плода
человека обладает большой долей вероятности, что и позволяет
получать информацию о специфической чувствительности к излу-
чению отдельных органов человека. На рис. 18.6 приведена такая
экстраполяционная диаграмма, построенная на основе данных
для мыши (при облучении в дозе 2 Гр) и известных эмбриологиче-
ских фактов.
С учетом приведенного коэффициента период наибольшей ра-
диочувствительности эмбриона человека сильно растянут во вре-
Предимплан- Примордиаль- Органогенез Плод
тация ные органы Время, сут
Рис. 18.6. Экстраполяционная кривая, демонстрирующая ожидаемые резуль-
таты облучения эмбриона человека на разных стадиях развития, построенная
на основе экспериментов на животных (по Р. Рафу, 1962):
7 — мозговая грыжа, водянка мозга, микрофтальмия; 2—изменение свода черепа, 3 —
дегенерация сосудов головного мозга, уменьшение продолговатого мозга, 4— перерож-
дение среднего мозга и клеток коры, 5 — перерождение спинного и продолговатого
мозга, 6— нарушение развития мозолистого тела, 7—нарушение развития полушарий
головного мозга, аммонова рога, <?— нарушение развития полосатого тела
362
мени. Он начинается, вероятно, с зачатия и кончается приблизи-
тельно 38-ми сут после имплантации; в этот период развития у эм-
бриона человека начинают формироваться зачатки всех органов
посредством быстрой дифференцировки из клеток первичных ти-
пов. Подобные превращения у эмбриона человека в период между
18-ми и 38-ми сут происходят почти в каждой из тканей. Так как
переход любой клетки из эмбрионального состояния в состояние
зрелости — наиболее радиочувствительный период ее формирова-
ния и жизни (независимо от того, является ли она нейро-, мио-,
остео- или эритробластом и др.), все ткани в это время оказывают-
ся высоко радиочувствительными.
Мозаичность процесса дифференциации эмбриона и связан-
ное с этим процессом измененение числа наиболее радиочувстви-
тельных клеток определяют степень радиочувствительности той
или иной системы или органа и вероятность появления специфи-
ческой аномалии в каждый момент времени. Поэтому фракциони-
рованное облучение плода приводит к более тяжелым повреждениям,
так как воздействие захватывает разнообразные типы зародышевых
клеток и их различное распределение, что вызывает повреждение
большого количества зачатков органов, находящихся на критических
стадиях развития. В этот период максимальное поражение может
быть спровоцировано очень малыми дозами ионизирующего из-
лучения; для получения аномалий в более поздний период эм-
брионального развития требуется воздействие больших доз.
Приблизительно через 40 сут после зачатия грубые уродства
вызвать трудно, а после рождения — невозможно. Однако следует
помнить, что в каждый период развития эмбрион и плод человека
содержат некоторое количество нейробластов, отличающихся вы-
сокой радиочувствительностью, а также отдельные зародышевые
клетки, способные аккумулировать действие излучения.
Как показали результаты изучения последствий облучения бе-
ременных женщин во время атомной бомбардировки в Хиросиме
и Нагасаки, степень проявления аномалий и их особенности в ос-
новном соответствовали ожидаемым. Так, согласно одному из об-
следований, у 30 женщин, находившихся в 2 км от эпицентра
взрыва и имевших серьезные симптомы лучевого воздействия,
примерно в половине случаев отмечена внутриутробная смерт-
ность плода, гибель новорожденных или младенцев, а у четырех из
16 выживших детей наблюдалась умственная отсталость. Согласно
данным другого наблюдения, почти у половины (45%) детей, ро-
дившихся от матерей, подвергшихся облучению при сроках бере-
менности 7—15 нед, имелись признаки умственной отсталости.
363
Кроме того, у потомства женщин, перенесших облучение в первой
половине беременности, отмечены микроцефалия, задержка рос-
та, монголизм и врожденные пороки сердца, частота и степень
аномалий были выше в тех случаях, когда пострадавшие матери
находились на расстоянии менее 2 км от эпицентра взрыва. Но и в
этих случаях не наблюдалось таких резких неврологических нару-
шений, какие были получены при облучении мышей, что, вероят-
но, связано с малой выживаемостью таких детей. Эти наблюдения
относятся лишь к 6 -7-летним детям, а в этом возрасте еще не про-
являются многие нарушения, которые могут быть обнаружены
только в юношеском и более позднем возрасте.
Согласно данным обзора 1975 г., ежегодное обследование в
Хиросиме и Нагасаки 1600 жителей, подвергшихся облучению в
пренатальный период, показало, что у лиц, матери которых нахо-
дились на расстоянии ~2 км от эпицентра, отмечалось некоторое
уменьшение объема головы, замедление роста и снижение массы
тела. При меньших дозах заметных отклонений в физическом раз-
витии и росте детей не отмечено.
После уточнения индивидуальных доз было установлено, что в
Хиросиме тератогенный эффект радиации проявлялся уже в диа-
пазоне доз от 0,1 до 0,2 Гр.
Наибольший риск развития умственных расстройств наблюда-
ется при облучении плода в период от 8 до 15 нед после зачатия. На
рис. 18.6 показана зависимость от поглощенной дозы задержки
умственного развития у лиц, подвергшихся облучению в этот наи-
более чувствительный период.
Следует иметь в виду, что облучение эмбриона в малых дозах
может вызвать такие функциональные изменения в клетке, кото-
рые невозможно зарегистрировать современными методами ис-
следования, но которые способствуют развитию болезненного
процесса через много лет после облучения. Следовательно, все от-
даленные последствия облучения эмбриона могут быть выражены
в большей степени, нежели при облучении взрослого организма.
Так, например, согласно данным статистического анализа
[Стьюарт А. и др., 1956], частота лейкемий у потомства матерей,
подвергавшихся рентгеновскому облучению во время беременно-
сти, приблизительно удваивается.
Облучение эмбриона в первые 26 нед при дозе >0,1 Гр чревато
рождением неполноценных детей, в связи с чем подобная ситуа-
ция может служить основанием для аборта по медицинским пока-
заниям.
364
Заслуживают внимания сведения о последствиях облучения
матерей во второй половине беременности. К ним относятся дан-
ные о повышенной заболеваемости и смертности таких детей в На-
гасаки, а также сообщения об аномалиях развития, наблюдавших-
ся при рентенотерапевтических процедурах, проводимых на раз-
ных сроках беременности матерей. Так, в сводке, охватывающей
168 подобных случаев [Раф Р., 1962], утверждается, что облучение
эмбриона человека в период первых двух месяцев ведет к 100%-му
поражению, в период от 3 до 5 мес — к 64, в период от 6 до
10 мес — к 23% поражения эмбрионов. Эти данные следует, ко-
нечно, иметь в виду, но их ценность для надежных выводов отно-
сительно облучения эмбриона и плода человека ограничена отсут-
ствием точных дозиметрических параметров.
18.4. Механизмы радиоэмбриологического
эффекта и оценка его последствий
Приведенные данные позволяют сделать заключение, что
уродства, индуцируемые действием ионизирующего излучения на
эмбрион и плод, никогда не могут иметь место при облучении ор-
ганизма после рождения. Однако легко себе представить появле-
ние функционально-морфологических нарушений в отдельных
тканях или системах развивающегося организма, которые на мо-
мент облучения еще не закончили своего формирования.
Типичным примером такого рода может служить мозжечок,
который дифференцируется последним из отделов ЦНС и потому
радиоустойчив до последней трети беременности, но становится
высоко радиочувствительным в течение нескольких недель после
рождения благодаря наличию нейробластов. В гл. 6 упоминалось,
что в нашей лаборатории наблюдали до 90% интерфазной гибели
клеток коры мозжечка у крысят и мышат, облученных в дозах до
10 Гр в первую неделю после рождения. На основании полученных
результатов о высокой радиочувствительности дифференцирую-
щейся коры мозжечка мы объяснили и наблюдавшиеся частые
случаи атаксии (нарушения двигательного равновесия) у мышей,
которые в первую неделю после рождения были подвергнуты то-
тальному облучению в дозах 15—20 Гр в условиях острой газовой
гипоксии.
Механизмы радиоэмбриологического эффекта аналогичны
рассмотренным при описании основных радиобиологических ре-
365
акций клеток. Исключительная особенность эмбриона определя-
ется наличием большого числа недифференцированных первич-
ных клеток, направленных на компенсацию клеточных утрат,
благодаря чему облученный организм продолжает развиваться
как целое, хотя неминуемым следствием облучения является воз-
никновение состояния недостаточности (неполноценности), пе-
реносимость которой организмом зависит от степени замещения
пораженных клеток клетками, остававшимися недифференциро-
ванными.
Исход поражения эмбриона, таким образом, выражается неким
равновесием между начальным эффектом облучения и способностью
«организма как целого» восстановить от поражения отдельные его
части, регенерирующие посредством вновь ориентированных жизне-
способных первичных клеток.
Например, облучение в дозе 0,5 Гр может вызвать гибель прак-
тически всех клеток сетчатки глаза эмбриона мыши, но они заме-
щаются путем такого рода регенерации, и мышонок оказывается
зрячим.
Эмбрионы, не выживающие после облучения, обычно погиба-
ют вследствие поражения одной или нескольких жизненно важ-
ных систем, их поражение вызывает гибель других систем, способ-
ных выжить в нормальной окружающей среде. Трансплантация
органов от облученных эмбрионов интактным реципиентам дава-
ла возможность этим органам выжить и развиваться нормально.
Каков же внутренний механизм аномалий, возникающих при
облучении эмбриона?
Прежде всего следует отметить, что описанные аномалии разви-
тия не являются специфической особенностью действия только ио-
низирующего излучения. Они наблюдаются также и под влиянием не-
которых ферментативных ингибиторов и радиомиметических ве-
ществ, например иприта и других алкилирующих соединений. Однако
из-за высокой проникающей способности ионизирующей радиации
разнообразие пострадиационных аномалий по сравнению с любым дру-
гим агентом внешней среды значительно шире.
Часто утверждают, что аномалии развития плода, возникающие под влияни-
ем облучения или других агентов, являются фенокопиями [Пионтковский И.А.,
1964]. Термин «фенокопия» был предложен немецким биологом И. Гольдшмид-
том (1955). Под фенокопией понимают возникающее в процессе развития под
влиянием внешних факторов изменение признака, зависящего от определенного
366
генотипа1, и ведущее к копированию признаков, характерных для другого геноти-
па или его отдельных элементов. При этом возникшие фенотипические модифи-
кации не наследственны, т. е. сам генотип остается неизменным. Следовательно,
фенокопия идентична генной (хромосомной) мутации, но это далеко не во всех
случаях указывает на прямую связь между действием внешнего агента и данной
мутацией, так как развитие признака проходит через ряд связанных звеньев и ко-
нечный фенотипический эффект может не зависеть оттого, какое из звеньев было
выключено или изменено.
Радиоэмбриологический эффект вряд ли можно объяснить из-
менениями только генетического (хромосомного) аппарата. Тем
самым, как справедливо замечает Р. Раф, явление значительно уп-
рощается, ибо данная концепция не касается регуляторных или
интегрирующих способностей «организма как целого» и не объяс-
няет, почему облученные зачатки органа развиваются лучше после
трансплантации необлученному хозяину. И хотя нельзя в принци-
пе отрицать роль мутации генов в возникновении аномалий разви-
тия, в настоящее время нет достаточных оснований рассматривать
последние просто как фенокопии, идентифицируя их тем самым с
соматическими мутациями. Нельзя забывать, что эмбриону свой-
ственна уже упоминавшаяся «регулирующая способность» ис-
пользовать остающийся нормальный материал для развития топо-
графически целого индивидуума. Эту интегрирующую способ-
ность трудно объяснить действием генов, если так же объясняется
и дезинтегрирующее аномальное развитие.
Независимо от деталей механизма радиоэмбриологического
эффекта последствия облучения эмбриона или плода таковы, что
неизбежно приводят к выводу о необходимости любой ценой пре-
дотвращать лучевые воздействия в этом периоде. Пороговая доза
излучения, вызывающая аномалию плода человека, пока не уста-
новлена, но облучение в дозе 0,05 Гр повышает частоту резорбции
оплодотворенного яйца у мыши на очень ранней стадии (перед
стадией дробления).
Есть основания полагать, что даже диагностические облучения
беременных женщин (при дозах 0,001—0,2 Гр) могут вызвать зна-
чительные уродства, особенно если это происходит в период ран-
1 Генотип — совокупность всех наследственных факторов организма, входя-
щих в геном (или, другими словами, всех локализованных в ядре носителей наслед-
ственности); для определения генотипа необходимо изучение предков либо потом-
ков данной особи, либо тех и других вместе. В отличие от генотипа фенотип — со-
вокупность всех внешних и внутренних структур, функций и признаков организма,
которая проявляется и может быть изучена морфологическими, анатомическими и
физиологическими методами только у данного организма.
367
ней стадии развития ЦНС (до 38-го дня после имплантации). Как
полагает Д. Висли (1960), по крайней мере 96% всех смертей, вы-
званных врожденными уродствами, могут обусловливаться радиа-
ционным фоном, а наблюдавшееся в США с 30-х по 60-е годы про-
шлого века увеличение уродств на 60% явилось, по его мнению,
результатом непродуманного медицинского применения рентге-
новского излучения.
Кроме того, очень важной проблемой, влияющей на оценку
результатов облучения в период эмбриогенеза, является изучение
частоты и момента возникновения отдаленных последствий облу-
чения. Например, если развитие видимой картины рака у человека
происходит через 15—30 лет после облучения, то будет ли так же
продолжителен латентный период, если облучению подвергается
эмбрион или пл од? Дополнительно к уже приведенным выше при-
мерам, демонстрирующим серьезность этой проблемы, можно до-
бавить следующее. Проведенный Р. Моулом (1974) ретроспектив-
ный анализ опубликованных материалов об опухолях у детей вы-
явил повышенную частоту лейкемии и злокачественных опухолей
у детей, рожденных от матерей, прошедших радиографические об-
следования, в 10% случаев это были одиночные плоды, а в 55% —
близнецы. Множественность наблюдавшихся лейкемий и солид-
ных опухолей дает основание автору для уверенного заключения о
причинно-следственной связи между этими заболеваниями и об-
лучением плода.
Поданным А. Стьюарта (1973), в первые 10 лет жизни у 15 млн
одиночных детей и 350 тыс. близнецов, подвергшихся облучению
во внутриутробном состоянии, относительный риск заболевания
лейкемией или солидными опухолями возрастает в 1,5 раза для
одиночных детей и соответственно в 2,2 и 1,6 раза для близнецов.
Суммируя все имеющиеся данные, в последнем обзоре 1997 г.
Долл и Бекфорд пришли к следующему заключению. Облучение in
utero в малых дозах, особенно в последний триместр, увеличивает
риск детского рака (регистрируемого в первые 10—15 лет жизни).
Уже при дозе около 0,01 Гр (1 рад) риск детского рака увеличивает-
ся на 40% выше спонтанного уровня. Увеличение абсолютного
риска при этом составляет около 6% на 1 Гр, что не сильно отлича-
ется от риска выживших после бомбардировки взрослых японцев.
При облучении зачатков половых органов у эмбрионов на ран-
ней стадии развития можно ожидать иных последствий, чем при
облучении гонад взрослого организма, хотя бы из-за различия ра-
диочувствительности их половых клеток. Кроме того, изменения в
небольшом числе таких зачаточных половых клеток эмбриона
окажут гораздо больший эффект, так как они являются предшест-
венниками огромного числа клеток эпителия половых желез
368
взрослого человека, следовательно, любое воздействие излучения
на первичную зародышевую клетку эмбриона передается всем
клеткам ее последующих поколений.
Все изложенное дает основание для подтверждения справедли-
вости раннего (1962) высказывания одного из основоположников
радиационной эмбриологии Р. Рафа: «...ионизирующее излучение
является и будет оставаться в будущем важнейшим орудием в деле
расцвета цивилизации, как это уже было показано в медицине, в
других областях науки и техники. Средняя продолжительность
жизни человека увеличилась в значительной степени благодаря
развитию радиологии. Тем не менее задача каждого радиоэмбрио-
лога — подчеркивать, что эмбрион крайне радиочувствителен и
что облучение его может вызвать далеко идущие последствия». Де-
монстрацией справедливости высказанной Р. Рафом 40 лет назад
точки зрения является остающееся без изменений заключение
НКДАР-84 о том, что радиочувствительность плода по индукции
отдаленных последствий облучения в 10—300 раз больше по срав-
нению со взрослым организмом.
РЕЗЮМЕ
• Организм эмбриона и плода обладает крайне высокой ра-
диочувствительностью. Облучение в этот период даже в незна-
чительных дозах (> 0,1 Гр) вызывает тератогенные эффекты в
виде различных пороков развития, задержки умственного раз-
вития и уродств.
• Вероятность появления конкретных тератогенных эф-
фектов зависит от того, на какой стадии эмбрионального раз-
вития произошло облучение, а число и тяжесть эффектов — от
дозы.
• Наиболее чувствительным периодом является период от 8
до 15 нед после зачатия.
• Эмбриогенные эффекты облучения в основном являются
следствием прямого воздействия, на опосредованное действие
радиации через организм матери приходится не более 5%.
• Облучение эмбриона даже в малых дозах в 1,5—2 раза уве-
личивает спонтанный уровень детского (в первые 10—15 лет
жизни) рака.
• Диагностическое применение ионизирующих излучений
в период беременности должно производиться только в исклю-
чительных случаях по строгим медицинским показаниям, учи-
тывающим вероятность развития тератогенных эффектов.
ГЛАВА
19 ФАРМАКОХИМИЧЕСКАЯ
ПРОТИВОЛУЧЕВАЯ ЗАЩИТА ОРГАНИЗМА
Ослабление радиационного поражения организма предвари-
тельным введением противолучевых агентов — протекторов
Молекулярные, клеточные и системные механизмы фарма-
кохимической противолучевой защиты
Защита в разных условиях облучения
Защита от отдаленных последствий облучения
Возможности использования противолучевых защитных
средств человеком
Расширяющееся применение ионизирующих излучений в раз-
личных областях науки и техники выдвигает в качестве одной из
фундаментальных задач радиобиологии поиск путей повышения
радиоустойчивости организма. Применение ядерных частиц в он-
кологии (см. гл. 21) и развитие космических исследований делает
актуальным решение этих вопросов применительно к малоизучен-
ным видам радиации, в частности к корпускулярным излучениям
высоких энергий.
Реальная возможность повышения радиорезистентности орга-
низма состоит в применении средств противолучевой защиты, под
которыми понимают специальные фармакологические препара-
ты — радиопротекторы, или создание гипоксического состояния
кратковременным вдыханием обедненных кислородом газовых
смесей.
Под фармакологической защитой (в строгом смысле слова)
понимают повышение выживаемости животных с помощью того
или иного протектора, применяемого в разные сроки перед облу-
чением.
За полвека, прошедшие со времени открытия возможности
предотвратить гибель животных, подвергнутых облучению в смер-
тельных дозах, с помощью химических средств [Бак 3., Патт Г.]1,
были изучены многие тысячи соединений. Однако практическое
применение протекторов человеком наталкивается на ряд трудно-
1 Интересующиеся историей развития этой области радиобиологии найдут ее
описание в книге: С. П. Ярмоненко. Управляемые кванты. — М., 1983.
370
стей, связанных как с особенностями используемых соединений,
так и с малочисленностью сведений об их действии в разных усло-
виях облучения.
19.1. Основные классы химических радиопротекторов
Нет такого класса соединений, в котором бы не был произве-
ден поиск радиозащитных средств в экспериментах на животных.
Цианистый натрий — одно из двух соединений, о котором в
1949 г. А. Эрв и 3. Бак сообщили как о протекторе; введение его
мышам в количестве 5 мг/кг непосредственно перед облучением в
летальных дозах повышало их выживаемость по сравнению с кон-
тролем.
Цистеин — второе соединение, с которым связано открытие
явления фармакологической противолучевой защиты. Г. Патт в
1949 г. сообщил о значительном повышении выживаемости мы-
шей, получавших перед облучением в летальной лозе инъекцию
цистеина в дозе 1000 мг/кг.
В последующем был обнаружен радиозащитный эффект цис-
теамина и цистамина (3. Бак), меркаптопропиламина (Е.Ф. Роман-
цев), серотонина (Г. Лангендорф), мексамина (П.Г. Жеребченко,
Н.Н. Суворов), аминоэтилизотиурония (Г. Доэрти), аминоалкил-
тиофосфатов (П.Г. Жеребченко, С.П. Ярмоненко, И.Л. Кну-
нянц), индралина (М.В. Васин), а также резерпина, гистамина, ок-
сида углерода, парааминопропиофенона и др.
Несмотря на обилие испытанных средств, наиболее перспек-
тивные и высокоэффективные из них относятся к двум большим
классам соединений: индолилалкиламинам и меркаптоалкилами-
нам. Именно эти соединения и будут предметом дальнейшего рас-
смотрения.
19.1.1. ИНДОЛИЛАЛКИЛАМИНЫ
Относящиеся к этому классу соединения можно рассматривать
как производные триптамина:
jj сн2сн2 nh2
N
I
Н
371
Триптамин при внутрибрюшном введении мышам за 5—20 мин
перед облучением повышает их выживаемость на 25—30% по срав-
нению с контролем. Значительно более выраженным радиозащит-
ным эффектом обладает 5-окситриптамин, известный под назва-
нием серотонин'.
।
н
П.Г. Жеребченко и Н.Н. Суворовым было показано, что введе-
ние многих радикалов в 5-е положение индольного кольца трипта-
мина повышает радиозащитную эффективность образующегося
соединения.
Наиболее изучен из этого класса соединений, кроме серотони-
на, 5-метокситриптамин, хлористоводородная соль которого из-
вестна как мексамин:
Защитный эффект мексамина показан в опытах на мышах,
крысах, собаках и обезьянах.
19.1.2. МЕРКАПТОАЛКИЛАМИНЫ
Вскоре после открытия радиозащитного действия цистеина
было показано (3. Бак, 1952), что продукт декарбоксилирования
этой аминокислоты — цистеинамин (цистеамин, 2-меркаптоэти-
ламин — МЭА, бекаптан, меркамин)
HS— СН2— CH—NH2 —°2> HS —СН2—СН2—NH2
СООН
Цистеин МЭА
обладает более выраженным противолучевым эффектом. Внутри-
брюшинное введение мышам или крысам МЭА в количестве
150 мг/кг за 5—15 мин перед облучением их в минимальной абсо-
372
лютно летальной дозе позволяет предотвратить гибель 80—100%
животных.
Обнаружение радиозащитных свойств МЭА послужило им-
пульсом к интенсивному поиску радиозащитных средств в классе
серосодержащих соединений, в результате были обнаружены дру-
гие не менее эффективные протекторы. Главные из них: цистамин
(дисульфид МЭА), меркаптопропиламин и его дисульфид, амино-
этил изотиуроний, меркаптоэтилгуанидин и его дисульфид — гуа-
нилэтилдисульфид, меркаптопропилгуанидин и, наконец, амино-
алкилтиофосфаты.
Все эти соединения имеют общую структуру: /?N (СН2) nSR.
Замечено, что различные замещения по азоту аминогруппы,
как правило, не влияют на радиозащитные свойства вещества или
усиливают их, например, при замещении на гуанидиновую груп-
пировку. Замещения водорода в тиольной группе резко ослабляют
радиозащитный эффект (за исключением окисления с образова-
нием дисульфидов), а удлинение углеводородной цепочки более
чем натри метильные группы ведет к утрате защитного действия.
Предполагают, что в процессе метаболизма этих соединений в
организме происходит образование меркаптоэтиламина или мер-
каптопропиламина, которые и обусловливают защитный эффект:
NH2 nh2 nh2
СН2 СН2 D СН2
। । Восстановление 2 |
сн2 сн2 сн2
s —s SH
Дисульфид 2-меркаптоэтиламина, 2-Меркаптоэтиламин, МЭА
цистамин
H2N nh2
Н2С СН2
HC-S-S-CH
I I
Н3С сн3
Восстановле ние
---------------►
nh2
сн2
I
HSCH
сн3
Дисульфид 2-меркаптопропиламина 2-Меркаптопропиламин, МПА
373
nh2 nh2 nh2 1
сн2 сн2 1 1 сн2
1 1 СН2 СН2 Восстановление 2 сн2
сн2 сн2 сн2
S — S SH
Дисульфид 3-меркаптопропиламина З-Меркаптопропиламин, 3-МПА
СН2 —СН2
NH2 S
С
/Ч
NH2 NH
СН2-СН2
I I
Трансгуани- NH SH Ферментативный
лирование гидролиз
С NH2CONH2 *
/\
NH NH2
Мочевина
2-Меркаптоэтил-
гуанидин, 2-МЭГ
сн2—сн2
nh2 SH
МЭА
2-Аминоэтилизоти-
уроний, АЭТ
СН2-СН2-СН2 СН2-СН2-СН2
1 's S 1 1
nh nh
z,C </
/ X //\
NH NH2
Восстановление
CH2—CH2-CH2
NH SH
c
z\
NH NH2
Гуанилпропилдисульфид 3-МЭГ
Ферментативный гидролиз
2NH2CONH2
Мочевина
NH2
CH2
2 CH2
СН2
SH
ЗМПА
374
nh2 nh2 nh2 nh2
сн2 СН 2 (СН2)3 сн2
сн2 1 Z Дефосфорилирование ,0 сн2 1 Гидролиз NH ► | Дефосфорилирование сн2 1
S— р— ОН Na SH МЭА сн2 0 1 / S-P^OH SH МЭА
2-Аминоэтилтио- фосфат, цистафос 2,3-Аминопропил, аминоэтил- фосфат, гаммафос
19.2. Оценка радиозащитного эффекта
Согласно общепринятым представлениям, радиопротекторы
как бы уменьшают эффективную дозу излучения. Например, если
при введении какого-либо протектора перед облучением живот-
ных их ЛД50/30 снижается с 10 до 6 Гр, то фактор изменения дозы
(см. гл. 9) ФИД = 1,7. В первом приближении это означает, что
подопытные животные, которым введен протектор, после облуче-
ния в дозе 10 Гр по общему состоянию адекватны контрольным
животным, облученным в дозе 6 Гр без протектора.
Кроме того, важной характеристикой конкретного протектора
является его терапевтическая широта, или терапевтический
индекс’.
Общей характерной чертой аминотиолов и индолилалкилами-
нов является выраженная зависимость их защитного действия от
химической структуры; самое небольшое изменение последней
приводит к ослаблению или утрате защитного эффекта.
Различия между этими классами соединений состоят в следую-
щем:
— диапазон эффективных доз (концентраций) тиолов узок,
причем защитный эффект нарастает с дозой препарата и достигает
максимума одновременно с проявлением токсического действия,
вызывающего гибель контрольных животных;
1 Под терапевтическим индексом в фармакологии принимают отношение ле-
тальной дозы (обычно ЛД50) лекарственного вещества к эффективной дозе; приме-
нительно к протекторам — к дозе, вызывающей защиту.
375
Рис. 19.1. Зависимость защитного эффекта от количества вводимого в орга-
низм протектора (мг/кг массы) при облучении мышей в дозе 9 Гр:
а — выживаемость; количество клеток (и) костного мозга (по Т.Н. Пугачевой, 1971):
7 —мексамин; 2 — АЭТ; 3— цистафос. Верхняя шкала абсцисс — мексамин и АЭТ,
нижняя — цистафос
— у индолилалкиламинов диапазон эффективных концентра-
ций значительно шире, причем защитный эффект достигает мак-
симума уже при незначительных концентрациях, в результате чего
кривая зависимости степени защиты от дозы препарата выходит
на плато значительно быстрее, чем у тиолов.
Эти различия наглядно представлены на рис. 19.1, демонстри-
рующем полученные в нашей лаборатории результаты изучения
эффективности мексамина, АЭТ и цистафоса по двум критери-
ям — 30-суточной выживаемости мышей и числу миелокариоци-
тов костного мозга после облучения животных в дозе 9 Гр. Кривые,
характеризующие защитную эффективность мексамина, по обоим
критериям уже при количестве препарата 7—10 мг/кг достигают
максимума и выходят на плато1.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что в расчете на
эквимолярные концентрации индолилалкиламины в 10 раз и бо-
лее эффективнее тиолов, что весьма важно для их практического
применения, так как защитный эффект может быть достигнут при
1 Следует иметь в виду, что продолжительность защитного эффекта нарастает с
дозой протектора, в связи с чем при его самых малых эффективных концентрациях
защитноедействие будет высоким, но кратковременным. Рис. 19.1 отражает защит-
ный эффект при дозе мексамина, вводимого за 3—5 мин до облучения.
376
Время после облучения, сут
Рис. 19.2. Динамика гибели мышей при облучении в супралетальных дозах
под влиянием раздельного и комбинированного применения протекторов:
/ — контроль, 2 — мексамин (75 мг/кг), 3 — АЭТ (150 мг/кг), 4 — АЭТ + мексамин
(50 + 25 мг/кг)
значительно меньших количествах вводимого в организм протек-
тора.
Различия в зависимости защитного эффекта от дозы протектора
определяются разными механизмами действия соединений этих
классов в организме. Считают, что для индолилалкиламинов в ос-
новном характерен фармакологический, опосредованный механизм
защитного действия, а для тиолов — клеточно-концентрационный
механизм, реализуемый непосредственно в клетках критических
систем. Иными словами, защитное действие индолилалкиламинов
связывают с их сосудосуживающим эффектом и вызываемой ими ги-
поксией, а защита тиолами, как предполагают, менее связана или со-
всем не связана с уровнем напряжения кислорода.
Именно этим принято объяснять возможность усиления за-
щитного эффекта при совместном применении индолилалкила-
минов и тиолов. Действительно, как видно из рис. 19.2, одновре-
менное введение мышам АЭТ и мексамина повышает их выживае-
мость при дозах 10—12 Гр на 25—65% по сравнению с результатами
377
раздельного применения этих протекторов. Однако результатам
этих экспериментов, как будет показано далее, может быть дано и
другое объяснение.
19.3. Механизмы противолучевой защиты
При анализе возможностей противолучевой защиты организ-
ма обычно исходят из предполагаемых механизмов защиты клеток
его критических систем, гибелью которых, как уже было показано
(см. гл. 12, 13), обусловлены основные синдромы ОЛБ.
В многочисленных работах, посвященных защитному эффекту
разнообразных протекторов, авторы первоначально стремились
расшифровать молекулярные и биохимические механизмы защи-
ты, специфичные для исследуемых ими средств. Из-за многообра-
зия и сложности острого лучевого синдрома казалось маловероят-
ным существование универсального механизма защиты. Однако
по мере накопления экспериментальных данных все более реаль-
ным становилось и поныне господствующее представление о не-
ком общем механизме действия абсолютного большинства радио-
протекторов [Граевский Э.Я., 1960]. Об этом свидетельствуют
многочисленные общие феноменологические признаки защитно-
го эффекта соединений разных классов.
Прежде всего их роднит необходимость введения протекторов
до облучения. Далее, величина ФИД наиболее эффективных про-
текторов и их смесей, а также общей гипоксии в опытах на живот-
ных и в экспериментах in vitro примерно одинакова и составляет < 3.
Наконец, общим свойством всех радиозащитных средств является
зависимость их действия от ЛПЭ, с увеличением которой эффек-
тивность защиты, постепенно уменьшаясь, исчезает (см. гл. 10).
Если, исходя из сходства в проявлении защитного эффекта,
сделать вывод о существовании некоего единого механизма защи-
ты, то логично предположить необходимость непосредственного
участия протекторов в акте защиты, определяемом общим для всех
классов веществ свойством. С таким же основанием можно пред-
полагать, что радиозащитный эффект обусловлен однонаправлен-
ными метаболическими изменениями, наступающими под влия-
нием различных противолучевых агентов, независимо от их при-
роды. Именно к этому и сводятся гипотезы, постулирующие суще-
ствование единого опосредованного механизма защиты. Их
различие заключается лишь в определении эндогенных факторов,
осуществляющих это опосредованное влияние.
378
19.3.1. ПЕРЕХВАТ И ИНАКТИВАЦИЯ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ
Начиная с первых работ П. Александера и 3. Бака (1955), уста-
новивших для соединений различных классов корреляцию между
их радиозащитной активностью in vivo и in vitro, широкое распро-
странение получила точка зрения об общем механизме действия
протекторов, состоящем в уменьшении косвенного действия ра-
диации путем перехвата и инактивации свободных радикалов и
других активных продуктов радиолиза воды.
Существуют, однако, веские возражения против признания
общности такого механизма действия протекторов in vivo. Прежде
всего с позиции перехвата радикалов не понятны большие разли-
чия в эффективных количествах протекторов: при сравнении в эк-
вимолекулярных концентрациях они могут различаться на не-
сколько порядков (цианиды, резерпин — 2—4 мг/кг, цистеин —
1 г/кг). Противоречит природе такого механизма защиты и то, что
незначительное изменение структуры соединения вызывает у него
утрату защитных свойств, а также ярко выраженная специфич-
ность соединений in vivo в сопоставлении с данными о приблизи-
тельно одинаковой способности инактивировать радикалы в вод-
ных растворах. Так, например, триптофан, гистидин, тирозин, ин-
дол, амины индольного ряда и индолилкарбоновые кислоты —
столь же эффективные инактиваторы радикалов in vitro, как и
триптамин, гистамин и тирамин, однако лишь последние облада-
ют защитным эффектом in vivo.
Противоречит противорадикальному механизму тот факт, что
локальное внутриклеточное содержание протекторов значительно
ниже, чем их эффективные концентрации в облучаемых раство-
рах, а способность реагировать с радикалами едва ли выше, чем у
различных клеточных метаболитов. Серьезное возражение, нако-
нец, состоит и в том, что радиочувствительность ферментов, нук-
леиновых кислот и других биологически важных соединений рез-
ко снижается при переходе от растворов к клетке и организму.
19.3.2. ИЗМЕНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО
ПОТЕНЦИАЛА
Существует предположение о возможности связи защитного
действия протекторов со сдвигом в окислительно-восстанови-
тельном потенциале (Eh) клеток. Г.В. Сумаруковым, в частности,
обнаружено снижение величины Eh при применении эффектив-
ных протекторов и гипоксии. В нашей лаборатории, однако, было
показано, что связь между величиной Eh и защитным эффектом
379
Рис. 19.3. Изменение окислительно-восстановительного потенциала (ЕЛ) в
подкожной клетчатке мышей при внутрибрюшинном введении гаммафоса
(й) и гутимина (б) в различных дозах:
7—88 мг/кг, 2—175 мг/кг, 2— 350 мг/кг, 4— 220 мг/кг; стрелкой обозначен момент
облучения
лишь качественная, а в ряде случаев она вообще отсутствует. На-
пример, степень снижения Eh зависит от дозы протектора — гам-
мафоса (рис. 19.3), т. е. совпадает с данными об усилении радиоза-
щитного эффекта при увеличении количества вводимого препара-
та [Юхас Дж., 1970; Выгодская А.Л., 1975]. Однако анализ кривых
(рис. 19.3, а) и сопоставление их с зависимостью время — эффект
для гаммафоса привели к выводу об отсутствии корреляции между
Eh и противолучевым эффектом.
Действительно, радиозащитный эффект гаммафоса при дозе
350 мг/кг, оцениваемый по выживаемости мышей, максимален
через 15 мин (ФИД = 2,7) и остается практически на этом уровне
довольно долго (через 75 мин ФИД = 2,5), а значение Eh за то же
время значительно снижается (кривая 3), что, казалось бы, должно
сопровождаться усилением защиты. С другой стороны, при мини-
мальной дозе препарата (88 мг/кг) слабый защитный эффект
(ФИД < 1,2) обнаруживается при 15-минутном интервале и отсут-
ствует через 30 мин, тогда как в эти сроки значения Eh одинаковы
(кривая 7).
На рис. 19.3, б представлены изменения Eh под влиянием кон-
трольного (неэффективного в радиозащитном отношении) препа-
рата — гутимина. Видно, что Eh под влиянием гутимина снижает-
ся до значений, при которых радиозащитный эффект гаммафоса
сильно выражен (см. на рис. 19.3, а, кривая 5).
Любопытно, что Д. Кейтером с соавторами было показано сни-
жение Eh даже под влиянием радиосенсибилизатора — синкавита.
380
Таким образом, гипотеза о связи радиозащитного эффекта с со-
стоянием окислительно-восстановительного потенциала экспе-
риментально не подтверждается.
19.3.3. СУЛЬФГИДРИЛЬНАЯ ГИПОТЕЗА
В большом числе экспериментальных исследований установ-
лено, что наблюдаемое под влиянием протекторов повышение ра-
диоустойчивости объектов сопровождается увеличением содержа-
ния в них эндогенных сульфгидрильных (тиольных) групп. Это
происходит не только при применении тиоловых (содержащих в
своей структуре сульфгидрильные группы) протекторов, но и при
введении индолилалкиламинов и даже при создании газовой ги-
поксии. Следовательно, речь идет не о привнесенных тиоловых
группах, а о повышении их эндогенного содержания, что дало ос-
нование рассматривать сульфгидрильные группы как естествен-
ные протекторы, уровень которых, с точки зрения приверженцев
данной точки зрения, в значительной степени определяет также и
различия в природной радиочувствительности.
В пользу данной точки зрения, которую многие годы последо-
вательно развивал Э.Я. Граевский, свидетельствуют многочислен-
ные факты корреляции содержания тиолов и радиочувствительно-
сти, полученные автором и его сотрудниками в экспериментах на
изолированных клетках, клетках костного мозга и селезенки, опу-
холевых клетках, нормальных клетках на разных стадиях цикла, а
также на других объектах, различающихся по степени природной
радиочувствительности.
Доказательством справедливости сульфгидрильной гипотезы
ее сторонники считали также возможность уменьшения устойчи-
вости клетки к облучению при снижении содержания в ней эндо-
генных тиолов с помощью различных химических соединений. В
серии работ Л. Ревеса и М.М. Константиновой было показано, что
объем реализации радиозащитного эффекта ряда протекторов и
аноксии определяется содержанием SH-групп эндогенного глута-
тиона, причем не только во время, но и после облучения.
Уязвимым местом сульфгидрильной гипотезы является незначи-
тельное (10—15%) повышение содержания эндогенных SH-rpynn,
что несопоставимо с необходимостью введения значительно боль-
ших количеств экзогенных тиолов для достижения заметного ра-
диозащитного эффекта.
381
19.3.4. ГИПОТЕЗА БИОХИМИЧЕСКОГО ШОКА
В 1964 г. 3. Бак и П. Александер попытались выявить общность
механизма защитного действия для широкого круга серосодержа-
щих протекторов. Они обратили внимание на связь защитного эф-
фекта тиолов с изменениями, происходящими под их действием в
клетках. Оказалось, что различные морфологические и функцио-
нальные сдвиги коррелируют по времени и степени выраженности
с защитным эффектом. К числу таких сдвигов относятся: ингиби-
рование метаболических реакций, исчезновение крист в митохон-
дриях и размытие матрикса, нарушение проницаемости плазмати-
ческих мембран и другие нарушения. Комплекс этих изменений, по-
лучивших название «биохимического шока», наблюдался только для
тех SH-соединений и их концентраций, которые оказывают эффек-
тивную защиту.
В дальнейшем было показано, что «биохимический шок» воз-
никает не только при защите клеток SH-соединениями, но и при
действии других радиозащитных агентов, что дало основание
предположить, что его связь с модификацией повреждения клеток
не случайна.
Е.Ф. Романцевым (1971) было показано, что радиопротекторы
способны переводить различные биохимические системы в со-
стояние повышенной радиорезистентности. К числу таких систем,
являющихся, по его мнению, наиболее радиочувствительными,
относятся синтез ДНК, ядерное фосфорилирование и окислитель-
ное фосфорилирование в митохондриях.
19.3,5. ЗАЩИТА КАК ПРОЯВЛЕНИЕ НЕСПЕЦИФИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
И УВЕЛИЧЕНИЯ ОБЪЕМА РЕПАРАЦИИ
Не затрагивая вопроса о механизме биохимического шока,
3. Бак приписал повышение радиорезистентности клеток увели-
чению длительности периода репарации в связи с общим замедле-
нием клеточного метаболизма.
Биофизический механизм этого явления, приводящий к уве-
личению объема ферментативной репарации потенциальных по-
вреждений клеток, в дальнейшем был предложен Л.Х. Эйдусом
(1977). Согласно его представлениям, биохимический шок, на-
блюдающийся при введении радиопротекторов, применении ги-
поксии и других агентов, — лишь частный случай общей неспеци-
фической реакции клеток на действие любых повреждающих
агентов, подробно описанной еще в 1940 г. Д.Г. Насоновым и
В.Я. Александровым. Суть такого механизма состоит в следую-
382
щем. В клетке содержится много низкомолекулярных соедине-
ний, которые неравномерно распределены в различных отсеках
эндоплазматического ретикулума и органоидах. Их компартмен-
тализация поддерживается системой внутриклеточных мембран,
противодействующих диффузионному выравниванию концентра-
ции этих веществ в клетке. В норме диффузия уравновешивается в
каждой точке мембранным переносом против концентрационных
градиентов.
Модифицирующие агенты по-разному влияют на диффузию и
активный транспорт, равновесие сдвигается, нарушается компар-
тментализация низкомолекулярных соединений, и они распро-
страняются по всей клетке, нивелируя различия в своих локальных
концентрациях. В результате ингибируются ферментативные про-
цессы из-за уменьшения конформационной подвижности белко-
вых молекул. Это проявляется в различных показателях неспеци-
фической реакции — изменении скоростей ферментативных ре-
акций, проницаемости, прокрашиваемое™ витальными красите-
лями и др.
Связь этой неспецифической реакции с модификацией повре-
ждения объясняется следующим образом. Радиационное пораже-
ние уникальных структур, вызывающее репродуктивную гибель
клеток, возникает вначале как потенциальное, которое в дальней-
шем либо реализуется, либо репарируется. Конечный исход опре-
деляется результатом конкуренции этих двух процессов, идущих
одновременно. Если скорости их сопоставимы, то конечный эф-
фект будет очень чувствителен ко всем воздействиям, по-разному
влияющим на скорости этих процессов. При развитии неспеци-
фической реакции замедляется скорость как реализации, так и ре-
парации потенциальных повреждений, однако в разной степени, в
зависимости от природы действующего агента и условий его при-
менения. В случае большего торможения процессов реализации
доля репарируемых повреждений увеличивается (защита). В про-
тивоположном случае повреждение усиливается.
Таким образом, ослабление и усиление радиационного повре-
ждения клеток не просто сводятся к физико-химическим процес-
сам, а связаны с метаболическими изменениями, зависящими, в
свою очередь, от многих генетических и биологических особенно-
стей клеток и факторов среды.
В последние годы были получены многочисленные данные,
свидетельствующие о зависимости эффективности противолуче-
вой защиты от функционирования ферментативных систем по-
страдиационной репарации. В работах такого рода выявлена боль-
383
шая эффективность протекторов, как и гипоксии, для клеток, спо-
собных к восстановлению, по сравнению со степенью защиты кле-
ток-мутантов, репарация у которых снижена или отсутствует. В
частности, в работах С.Е. Бреслера, Л.А. Носкина, В.Л. Калинина
и В.Г. Петина было показано, что 2-меркаптоэтиламин эффектив-
но защищает от излучения только те штаммы бактериальных и
дрожжевых клеток, в которых не повреждены системы репарации,
в то время как в мутантных по репарации клетках защита ослабле-
на или отсутствует.
19.3.6. ЗАЩИТА И КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ
Универсальность кислородного эффекта (КЭ) (см. гл. 9) делает
понятным стремление многих исследователей так или иначе свя-
зать с ним механизм действия большинства протекторов, тем бо-
лее что ФИД при защите эффективными протекторами и макси-
мальная величина кислородного эффекта близки друг к другу.
Показано, что все протекторы из класса индолилалкиламинов,
а также другие, обладающие радиозащитным эффектом, биологи-
чески активные соединения (адреналин, гистамин, р-фенилэти-
ламин, морфин, героин, окись углерода, нитрит натрия, унитиол,
димеркаптопропионовая кислота) вызывают определяемое мето-
дом полярографии отчетливое снижение напряжения кислорода в
тканях, в частности в селезенке, по времени соответствующее их
максимальному защитному эффекту. Для перечисленных аминов
это свойство коррелирует с их сосудосуживающим действием; в
основе гипоксии, вызываемой другими веществами, лежат иные
механизмы: образование метгемоглобина (нитрит натрия, па-
раэминопропиофенон) или карбоксигемоглобина (СО), ингиби-
рование дыхательных ферментов (цианиды), угнетение дыхатель-
ного центра (морфин, героин) и т. д.
Подтверждением фармакологической природы действия ука-
занных соединений и ее связи с кислородным эффектом служат
данные о возможности ослабления или отмены защиты их антаго-
нистами и антиметаболитами, а также повышением давления ки-
слорода. Поданным М.М. Константиновой (1970), противолуче-
вой эффект гипотермии у гомойотермных животных также опре-
деляется гипоксическим механизмом, так как защита при охлаж-
дении проявляется лишь при снижении напряжения кислорода в
тканях ниже 50% от исходного уровня, т.е. в условиях, как будто бы
исключающих его сосудосуживающее действие. Однако эти рабо-
ты ни в какой степени не опровергают значения фармакологиче-
384
ской гипоксии как основного фактора в механизме радиозащит-
ного действия мексамина в условиях организма. Во-первых, за-
щитный эффект мексамина in vitro проявляется в значительно
меньшей степени, чем in vivo, и при очень высоких концентраци-
ях, не сопоставимых с возникающими в критических системах
даже при условии мгновенного попадания в них препарата. На са-
мом деле на доставку любого соединения в критические органы
необходимо определенное время, а в случае мексамина оно увели-
чивается из-за вызываемого им сосудосуживающего эффекта.
Во-вторых, как справедливо отмечают Л.Х. Эйдус и Ю.Н. Коры-
стов (1984), и клеточный компонент действия индолилалкилами-
нов может иметь гипоксическую природу, если учесть данные о
вызываемом этими соединениями повышении интенсивности ды-
хания, обусловливающем снижение тканевого напряжения кисло-
рода.
Таким образом, механизм защитного действия большого числа
протекторов, включая все индолилалкиламины, в организме в той
или иной степени связан с КЭ.
В отношении аминотиолов данные противоречивы. В боль-
шинстве они сводятся к тому, что повышение давления кислорода
в среде, сопровождающееся увеличением его тканевого напряже-
ния, измеряемого с помощью полярографии, снижает (но не уст-
раняет) радиозащитный эффект тиолсодержащих радиопротекто-
ров.
Полярографические исследования, однако, не дают оснований
ни для категорического отрицания связи механизма защитного
действия тиоловых соединений с КЭ, ни для абсолютизации зави-
симости от него индолилалкиламинов. Использованная в этих ра-
ботах техника полярографического анализа отражает лишь сум-
марный кислородный баланс в ткани и не позволяет измерить на-
пряжение кислорода непосредственно в клетках, а тем более полу-
чить сведения относительно оксигенотопографии внутри клеток,
которая имеет решающее значение в модификации радиочувстви-
тельности.
Как показали в последнее время результаты эксперименталь-
но-теоретического анализа связи защитного действия меркапто-
этиламина с КЭ, проведенного Ю.Н. Корыстовым, в опытах in
vitro защита обусловлена в основном аноксией, вызванной окисле-
нием SH-групп в растворе цистеамина. Однако в условиях орга-
низма этот механизм не может иметь практического значения
из-за несоизмеримо больших концентраций кислорода, в избытке
подводимого с током крови, по сравнению с его ограниченным со-
385
держанием в среде in vitro. Подтверждением этому могут служить
эксперименты Д. Джемисон и Г. Ванден Бренка, в которых флюо-
ресцентный анализ внутриклеточных пиридиннуклеотидов (даю-
щий представление о содержании там кислорода) показал отсутст-
вие связи защитного действия тиоловых протекторов в организме
с изменением внутриклеточного напряжения кислорода. Таким
образом, связь радиозащитного эффекта аминотиолов с КЭ оста-
ется не доказанной.
19.3.7. ОБЩИЙ МЕХАНИЗМ МОДИФИКАЦИИ РЕПРОДУКТИВНОЙ
ГИБЕЛИ КЛЕТОК
Одновременное существование многих теоретических пред-
ставлений о механизмах реализации радиозащитного эффекта
свидетельствует, с одной стороны, о том, что они отражают лишь
его отдельные стороны, а с другой — является следствием отсутст-
вия единой теории биологического действия ионизирующих излу-
чений (см. гл. 11).
В связи с этим на протяжении последних десятилетий XX в. не-
однократно предпринимались попытки схематизации общего ме-
ханизма противолучевой защиты, в том числе и обусловленной
КЭ.
Согласно представлениям Л.Х. Эйдуса и Ю.Н. Корыстова
(1984), в клеточных мишенях (М) возникают два вида потенциаль-
ных повреждений: чувствительные (Мо) и нечувствительные (Мн)
к модифицирующему действию кислорода (рис. 19.4).
За первые из них кислород конкурируете тиолами (SH-), нахо-
дящимися около мишеней. Тиолы могут оказывать на Мо двоякое
действие: элиминировать повреждение, восстановив исходное со-
стояние мишени М (модификация с изменением количества по-
Выживание
Рис. 19.4. Схема общего механизма радиационого поражения клеток и его
модификации (по Л.Х. Эйдусу и Ю.Н.Корыстову, 1984)
386
вреждений), либо перевести в состояние Мн, из которого поражен-
ная молекула может с вероятностью (р вернуться в исходное со-
стояние под действием ферментов репарации (ФР), обеспечивая
выживаемость клетки. С вероятностью 1—(р повреждение может
превратиться в потенциально летальное (ПЛ), которое, в свою
очередь, с вероятностью 5 также может репарироваться фермента-
тивными системами, обеспечивая выживаемость клетки, или с ве-
роятностью 1—5, приводить клетку к гибели.
Под действием кислорода образуется промежуточный продукт
МО2, который репарируется с вероятностью у или превращается в
потенциально летальное с вероятностью 1—у. Судьба ПЛ рассмот-
рена выше.
Нечувствительные к действию кислорода повреждения Мн мо-
гут подвергаться ферментативной репарации с вероятностью к или
приводить клетку к гибели с вероятностью 1— X.
Под потенциально летальными поражениями в данном кон-
тексте понимаются поражения, возникающие в ходе фермента-
тивной репарации первичных повреждений.
Наблюдаемая на опыте зависимость величины кислородного
эффекта (ККУ, т в уравнении КЭ, приведенном в гл. 9) от геноти-
па микроорганизмов (например, меньшая величина ККУ у мутан-
тов по сравнению с клетками дикого типа) обусловлена разной эф-
фективностью репарации кислородчувствительных и нечувстви-
тельных повреждений. Дефектность клеток по репарации кисло-
родзависимых повреждений, обозначенной здесь индексом у,
увеличивает ККУ, в то время как уменьшение эффективности
ферментативной репарации (А.) проявляется в уменьшении вели-
чины КЭ. ККУ зависит лишь от эффективности процессов, репа-
рирующих повреждения, которые возникают на физико-химиче-
ском этапе поражения (МО2, и Мн), в то время как более поздние
процессы репарации вторичных повреждений (ПЛ) на величине
ККУ не сказываются.
Константа К в уравнении КЭ не зависит от ферментативных
процессов, поскольку она отражает конкуренцию двух физи-
ко-химических процессов взаимодействия первичных кислород-
чувствительных повреждений (Мо) с кислородом и тиолами:
К= ^-[SH],
387
где К,\\ К2 — константы скорости реакции этих веществ с повреж-
дениями Л/о, a [SH] — концентрация свободных тиолов, в основ-
ном глутатиона, вблизи клеточной мишени.
Как видно, рассмотрение КЭ как чисто физико-химического
феномена упрощает представление об истинной природе этого яв-
ления, хотя он и включает в себя быстрые физико-химические ре-
акции, осуществляющиеся в момент облучения. Последовательно
с ними идут различные ферментативные репарационные процес-
сы, также участвующие в определении величины КЭ.
Приведенная схема не только объясняет всю совокупность из-
вестных к настоящему времени экспериментальных данных по
КЭ, но и описывает феноменологию основных этапов поражения,
ведущего к гибели клеток, а также факторы, определяющие воз-
можности ее модификации.
В описанном механизме два звена в явной форме связаны с хи-
мической модификацией первичного повреждения. Это их взаи-
модействие с тиолами эндо- или экзогенного происхождения и
фармакологическая регуляция концентрации кислорода. Однако
при использовании различных радиомодификаторов химической
и физической природы затрагиваются и другие звенья этого меха-
низма: концентрация небелковых SH-групп и кислорода вблизи
клеточной мишени и эффективность ферментативной репарации.
Действительно, соотношение тиолов и кислорода в клетках в опы-
тах in vitro может изменяться подавлением дыхания или его актива-
цией, усилением процессов микросомального окисления, восста-
новлением кислорода в среде (тиолы, нитрит натрия и др.), введе-
нием экзогенных SH-групп, тиолопривными (блокирующими
тиоловые группы) веществами и т. д.
In vivo тиолы не способны уменьшить содержание кислорода
из-за его поступления в организм при внешнем дыхании. В то же
время изменение напряжения кислорода легко осуществляется
при вдыхании гипер- или гипоксических смесей, применении ин-
долилалкиламинов и других соединений, приводящих к циркуля-
торной гипоксии или влияющих на интенсивность тканевого ды-
хания. Гипоксические клетки в организме и опухолях могут быть
сенсибилизированы электронакцепторными соединениями (см.
гл. 21), заменяющими кислород на физико-химическом этапе мо-
дификации. Внутриклеточная концентрация тиолов может быть
также изменена в обе стороны введением меркаптоалкиламинов
или соединений, блокирующих SH-группы.
Что же касается репаративного звена схемы, то оно работает
как in vitro, так и in vivo, ибо ферментативная репарация всегда су-
388
Рис. 19.5. Восстановление субле-
тальных повреждений в зависимо-
сти от концентрации кислорода (в
частях на миллион — part per
million — ppm) при пострадиацион-
ной инкубации (клетки водоросли
Chlamidomonas, облученные в дозе
240 Гр в азоте + 150 Гр на возду-
хе) (по П. Брайанту, 1970):
1 — 4 — содержание кислорода в газовой
смеси, продуваемой в перерыве между
фракциями дозы; 7—10 ppm,
2 — 200 ppm, 3 — 500 ppm,
4— 1000 ppm, 5—воздух
Рис. 19.6. Восстановление потенциальных деталей у дрожжей, облученных
на воздухе, в зависимости от пострадиационных условий
(по П. Субрахманяму, 1979):
/ — посев сразу после облучения, 2 —анаэробная инкубация, 3 — аэробная инкубация
щественна при действии любых химических модифицирующих
агентов. Не менее важно участие кислорода и в пострадиационной
репарации потенциальных повреждений, поскольку для их вос-
становления также необходим кислород. В частности, показано,
что ни сублетали (рис. 19.5), ни потенциальные летали (рис. 19.6) в
аноксии не репарируются.
В рассмотренной схеме кислород участвует в модификации ра-
диочувствительности на первом физико-химическом этапе взаи-
модействия с первичными повреждениями клеточной мишени.
При наличии кислорода в среде после облучения репарация идет
одинаково, независимо от того, облучались клетки в азоте или ки-
слороде. Таким образом, если кислород во время облучения уси-
ливает поражение, то после облучения он защищает, ибо необхо-
дим для ферментативной репарации.
19.4. Защита организма как следствие ослабления
поражения критических систем
Анализ механизма противолучевой защиты может быть произ-
веден и на уровне критических систем организма, резистентность
которых повышается под влиянием любого радиозащитного аген-
та. Так как в диапазоне доз до 10 Гр исход острого лучевого синдро-
ма определяется системой кроветворения, понятны стремления
исследователей оценить состояние именно этой системы при об-
лучении организма в условиях защиты.
Наглядные доказательства взаимосвязи между повышением
радиорезистентности организма и защитой кроветворения были
получены С. П. Ярмоненко в ранних (1960) экспериментах при то-
тальном облучении животных, которым на время облучения на-
кладывали на задние конечности кровоостанавливающий жгут,
создавая тем самым локальную аноксию в участке костного мозга.
При рентгеновском облучении мышей в абсолютно летальной
дозе наложение жгута обусловило ко времени гибели всех кон-
трольных животных (12-е сут) выживание 75% опытных. К 30-м
сут после облучения количество выживших животных снижалось,
тем не менее и к этому сроку оно составляло в среднем 33%. Анало-
гичные данные были получены и в опытах на крысах и собаках
(табл. 19.1).
390
Таблица 19.1. Влияние местной аноксии костного мозга на исход лучевой болезни животных
Вид живот- ного Доза излу- чения, Гр Условия эксперимента Количество облученных животных Количество выживших жи- вотных на Выживаемость, %, па Средняя про- должитель- ность жизни, сут
12-е сут 30-е сут 12-е сут 30-е сут
Мыши 7 Контроль 65 4 0 6,1 ± 0,9 0 8,4
Жгут на одно бедро 98 72 32 75,3 ±4,4 32,6 ±4,7 141
Стрептомицин 70 20 6 28,6 ± 5,3 8,6 ± 2,0 11,5
Жгут + стрептоми- цин 82 68 54 83,0 ±4,0 65,8 ± 5,6 12,6
Крысы 8 Контроль 90 37 6 40,7 ± 5,1 6,6 ± 2,9 11,6
Жгут на одно бедро 66 36 16 54,3 ± 6,2 24,6 ± 5,3 9,8
Жгут на два бедра 84 53 26 61,6 ± 5,3 30,7 ± 5,0 11,9
Собаки 4 Контроль 13 Выжило к 45-м сут 1
Опыт 13 То же 5
Часы Сутки
Время после облучения
Рис. 19.7. Влияние местной аноксии на дегенерацию клеток костного мозга
мышей, подвергнутых рентгеновскому облучению в дозе 7 Гр:
/ — опыт (перевязанная конечность), 2—контроль
Из табл. 19.1 видно также, что гибель животных в поздние сро-
ки, очевидно, связана с инфекционными осложнениями, так как
дополнительное применение стрептомицина в течение первых 20
сут вызывало повышение выживаемости к 30-м сут в среднем на
33%, применение только стрептомицина обусловило выживание
лишь 8,6% мышей.
Цитологический анализ показал, что в ишемическом участке
костного мозга уменьшается число клеток, дегенерирующих в пер-
Время после облучения
Рис. 19.8. Влияние местной анок-
сии на митотическую активность
костного мозга мышей, подвергну-
тых рентгеновскому облучению в
дозе 7 Гр:
/ — опыт, 2 — контроль
Рис. 19.9. Влияние местной аноксии
на динамику клеток костного мозга с
аберрациями хромосом при облучении
мышей в дозе 7 Гр:
7 — опыт, 2 — контроль
392
Рис. 19.10. Влияние АЭТ на количество дегенерирующих клеток в костном
мозге мышей при разных дозах излучения:
1 — контроль, 2 — опыт
вые часы после облучения (рис. 19.7), ослабляется степень радиа-
ционной задержки клеточного деления (рис. 19.8) и уменьшается
доля клеток с аберрациями хромосом (рис. 19.9).
Снижение числа дегенерирующих и аберрантных клеток, а
также ослабление степени ингибирования митотической активно-
сти вызывают и радиопротекторы, что может быть продемонстри-
ровано на примере АЭТ (рис. 19.10—19.12).
393
Рис. 19.11. Влияние АЭТ на динамику клеток с хромосомными аберрациями
в костном мозге облученных мышей:
/ — контроль, 2 — опыт
Таким образом, под влиянием защитных агентов снижается
степень проявления всех типов первичного лучевого поражения кле-
ток критических органов, а также интенсифицируются процессы
клеточного деления, что, в свою очередь, способствует увеличению у
защищенных животных клеточного фонда этих органов — источни-
ка их последующей регенерации.
Действительно, общее число ядросодержащих клеток костного
мозга оказывается у защищенных животных значительно боль-
шим, чем в контроле (рис. 19.13), что обусловливает начало вос-
становления клеточной популяции с более высокого уровня (рис.
19.14). Размер образующегося фонда жизнеспособных кроветвор-
394
Время после облучения, ч
Рис. 19.12. Влияние АЭТ на митотическую активность в костном мозге об-
лученных мышей;
7 —опыт, 2—контроль (облучение без АЭТ)
Дни после облучения
Рис. 19.13. Влияние АЭТ на изменение общего числа кариоцитов в костном
мозге мышей при рентгеновском облучении в разных дозах;
7(7); 4(2); 2,7(5) Гр; 4, 5, 6 —то же, но с предварительным применением АЭТ
ных клеток и определяет степень защиты тем или иным защитным
агентом (рис. 19.15).
Многочисленные данные о снижении начальных лучевых по-
вреждений под действием различных протекторов получены на
разных объектах: культуре клеток животных и человека, клетках
кишечника и роговицы in vivo, растениях и др., что свидетельствует
395
Рис. 19.14. Изменение количества клеток костного мозга мышей после об-
щего облучения в дозах 2,7 (7), 4 (2) и 7 (5) Гр под влиянием АЭТ:
темными символами обозначены опытные данные, светлыми — контрольные
Рис. 19.15. Общее количество клеток костного мозга в бедре мыши на 3-и
сутки после облучения в разных дозах под влиянием отдельных протекторов
и их комплекса:
7—контроль, 2—АЭТ, 5—мексамин; верхняя кривая — АЭТ + мексамин
об универсальности данного явления для всех уровней биологиче-
ской организации.
Все это позволяет сделать заключение, что применение защит-
ных агентов у животных снижает выраженность всех типов кле-
точных проявлений поражения костного мозга, тем самым как бы
переводит его на уровень, характерный для воздействия меньшей
396
дозы излучения, с соответствующим повышением выживаемости
животных.
Это заключение не противоречит приведенным выше взглядам
на молекулярный механизм защиты, постулирующий ведущую
роль репарационных систем, так как следствием их эффективно-
сти и является регистрируемое морфологическими методами сни-
жение доли клеток, несущих типичные радиационные поражения.
Обсуждая роль ослабления отдельных клеточных реакций в ус-
корении восстановления костного мозга под влиянием радиоза-
щитных агентов, следует в полном соответствии с механизмами
лучевого поражения кроветворения (см. гл. 12) указать, что оно
связано со снижением как числа погибших клеток, так и степени
торможения митозов. При этом в кровеносное русло защищенных
животных попадает большее количество жизнеспособных клеток,
что ускоряет нормализацию уровня клеточного состава крови и
его интенсивное восполнение потомками жизнеспособных клеток
вследствие разблокирования митозов.
С этих позиций усиление защитного эффекта при комбинирован-
ном применении протекторов может быть объяснено не только упо-
минавшимся выше разным механизмом их действия, но и дифференци-
рованной защитой отдельных критических систем.
И действительно, вернувшись к результатам соответствующих
опытов (см. рис. 19.2), в которых изучалась эффективность про-
текторов на мышах, подвергнутых рентгеновскому облучению в
дозах 7— 12 Гр, вызывающему не только костно-мозговой, но и ки-
шечный синдромы, видно, что костный мозг хорошо защищается
и АЭТ и мексамином, а при поражении кишечника защитное дей-
ствие мексамина значительно меньше. Таким образом, в синер-
гизме защитного эффекта данного комплекса протекторов наряду
с предполагаемым разным механизмом действия определенное
значение имеет и дифференцированная системная защита: АЭТ в
равной степени защищает костный мозг и кишечник, а мекса-
мин — только костный мозг. Благодаря этому многие животные,
пережившие критический срок кишечной гибели (результат защи-
ты АЭТ), переносят и поражение костного мозга, которое в усло-
виях комплексной защиты оказывается существенно меньшим,
чем при раздельном применении протекторов. Реальность опосре-
дованного усиления защиты органов кроветворения подтвержда-
ется также экспериментами М.Н. Янушевской и Н.Ф. Варакиной,
обнаруживших благоприятное влияние экранирования кишечни-
ка на восстановление гемопоэза.
397
При анализе средней продолжительности жизни контрольных
(незащищенных) животных оказалось, что доза 9 Гр — рубеж меж-
ду «костномозговой» и «кишечной» гибелью. Как видно из табл.
19.2, при увеличении дозы до 10—12 Гр мыши погибают от кишеч-
ного синдрома при средней продолжительности жизни около
5 сут. Защитный эффект АЭТ проявляется при всех испытанных
дозах излучения: до 11 Гр за счет повышения выживаемости, а при
12 Гр — в виде существенного увеличения продолжительности
жизни. Эффективность применения мексамина после облучения в
дозе 9 Гр резко падает, а после 11 Гр сроки гибели подопытных и
контрольных мышей совпадают.
Таблица 19.2. Влияние протекторов на выживаемость
и продолжительность жизни мышей при разных дозах рентгеновского
излучения (по С.П. Ярмоненко, 1965)
Доза, Гр Контроль Протекторы
Количест- во под- опытных мышей Выживае- мость к 30-м сут, % Средняя продолжи- тельность жизни, % АЭТ, 3 мг
Количест- во мышей в опыте Выживае- мость к 30-м сут, % Средняя продолжи- тельность жизни, с
7 40 5 14,6 40 90 —
8 20 0 9,9 20 90 —
9 30 0 6,4 30 50 14,9
10 20 0 5,3 20 60 14,6
11 20 0 4,7 20 25 7,1
12 20 0 4,6 20 0 8,2
Продолжение табл. 19.2
Доза, Гр Протекторы
Мексамин, 1,5 мг АЭТ,1 мг + мексамин, 1,5 мг
Количест- во мышей в опыте Выживае- мость к 30-м сут, % Средняя продолжи- тельность жизни, сут Количест- во мышей в опыте Выживае- мость к 30-м сут, % Средняя продолжи- тельность жизни, сут
7 40 90 — — — —
8 20 95 — 20 100 —
9 30 73 11,5 28 96 —
10 20 10 8,1 29 85 —
11 20 0 5,2 28 59 12,6
12 20 0 4,0 20 20 6,7
Эксперименты Д. Мэзена показали, что с увеличением в соста-
ве рецептуры числа ингредиентов наблюдается выраженное усиле-
ние защитного эффекта. Так, при использовании АЭТ, трехком-
398
рис. 19.16. 30-дневная выживае-
мость мышей, защищенных
АЭТ (7); глутамином, АЭТ и
серотонином (2); пятикомпо-
нентной рецептурой — глутамин,
АЭТ,серотонин, цистеин и
МЭА (J) и той же рецептурой
с последующей изологичной
трансплантацией костного мозга
(4) по сравнению с контролем
(5) ФИД составляет, соответст-
венно 1,7; 2,3, 2,8 и 3,4.
понентной рецептуры (АЭТ, глутатион и серотонин), пятикомпо-
нентной (АЭТ, глутатион, серотонин, цистеин и МЭА) или той же
пятикомпонентной рецептуры и последующей изологичной пере-
садки костного мозга ФИД составляет соответственно 1,7; 2,3; 2,8
и 3,4 (рис. 19.16).
19.5. Ограничения фармакохимической защиты,
связанные с условиями облучения
Фармакохимическая защита организма максимально выраже-
на при однократном остром воздействии редкоионизирующими
видами радиации. Ее эффективность, однако, существенно изме-
няется в зависимости от многих условий облучения, и это обстоя-
тельство накладывает значительные ограничения на сферу ис-
пользования биологических радиозащитных средств.
Прежде всего защитное действие всех протекторов, а также
гипоксии (об этом упоминалось) падает с ростом ЛПЭ. Поэтому
эффективность защиты снижается при облучении тяжелыми заря-
женными частицами и нейтронами.
Эффективность радиопротекторов заметно снижается при
фракционированном облучении и особенно резко — при хрони-
ческом облучении. Это связано с необходимостью многократного
введения протекторов в организм для поддержания во время облу-
чения в достаточной концентрации либо их самих, либо вызывае-
мого ими уровня ответственных за реализацию защитного эффек-
та метаболических изменений. Кроме того, это осложняется ток-
399
сичностью протекторов и возможным развитием тахифилаксии
(привыкания).
Ослабление защитного эффекта при фракционированном ра-
диационном воздействии объясняется и тем, что на уровне орга-
низма защита максимально проявляется при высоких дозах облу-
чения и снижается по мере их уменьшения. Предполагается, что
при малых дозах усиливается роль a-компоненты лучевого пора-
жения, которая плохо модифицируется и плохо репарируется. Как
было изложено в гл. 7, а-компонента — это крупные поражения
молекул ДНК, а р-компонента — поражения, возникающие из-за
взаимодействия более мелких, нелетальных. Альфа поражения
плохо модифицируются, поэтому и защитный эффект радиопро-
текторов снижается в области малых доз, в том числе при переходе
от однократного к фракционированному воздействию. Как будет
видно из гл. 21, с этим же связаны трудности использования моди-
фикаторов при фракционированном облучении в онкологической
клинике.
19.6. Защита от отдаленных последствий облучения
По сравнению с большим числом работ, посвященных ослаб-
лению протекторами непосредственныхдетерминированных про-
явлений острого радиационного поражения организма, а также
его отдельных органов и систем, значительно менее изучена воз-
можность защиты от отдаленных эффектов облучения. К тому же
результаты этих работ противоречивы. В одних — защитный эф-
фект не обнаружен, в других — описано заметное ослабление мно-
гих отдаленных последствий, в третьих — отмечено даже усиление
канцерогенного действия радиации и, наконец, в четвертых — по-
лучены данные об избирательности модифицирующего эффекта:
разные протекторы и в разной степени ослабляли определенные
виды отдаленных последствий, не оказывая влияния на другие.
Анализ соответствующей литературы позволяет сделать общее
заключение о том, что защита от отдаленных последствий облуче-
ния выражена в значительно меньшей степени, чем от острых эф-
фектов. В особенности это относится к тиоловым протекторам,
которые, уменьшая частоту лейкозов и лимфом, а также степень
поседения волосяного покрова, заметно меньше влияют на прояв-
ление остальных отдаленных последствий. Защитный эффект
протекторов, действующих по гипоксическому механизму, как
400
Рис. 19.17. Мыши, выжившие после протонного облучения в дозе 8 Гр в
условиях защиты мексамином, и контрольные, незащищенные животные,
подвергнутые облучению в дозе 7 Гр (указаны стрелками): наблюдение на
850-е сутки после облучения
будто бы более универсален, однако литературные данные по это-
му вопросу наиболее скудны.
В лаборатории авторов был четко установлен радиозащитный
эффект мексамина на мышах Fx(C57Bl* СВА), подвергнутых од-
нократному тотальному облучению ускоренными протонами с
энергией 660 МэВ в дозах 6—9 Гр, по четырем показателям: общей
смертности в течение 490 сут (начало гибели в биологическом кон-
троле), сокращению продолжительности жизни и уменьшению
прироста массы за этот же период, а также по степени поседения
волосяного покрова. В частности, к 850-м сут после облучения по-
седение защищенных мышей, выживших после облучения в дозе
8 Гр, было выражено значительно меньше, чем у мышей, облучен-
ных в дозе 7 Гр без защиты (рис. 19.17). В биологическом контроле
поседение шерсти не наступало до конца естественной жизни жи-
вотных, что, кстати, является дополнительным доказательством
различия процессов естественного и «радиационного» старения
(см. гл. 17).
В табл. 19.3 приведены результаты экспериментов по оценке
влияния обеих групп протекторов на повреждение хромосомного
аппарата в клетках активно пролиферирующих и стабильных тка-
ней. Видно, что тиоловые протекторы слабее влияют на возникно-
26 - 3724 401
вение аберраций хромосом в покоящихся клетках печени, чем в
делящихся клетках костного мозга. При этом защитное действие
мексамина на клетки костного мозга и печени примерно одина-
ково.
Таблица 19.3. Влияние протекторов на процент клеток с индуцированными
облучением аберрациями хромосом в костном мозге мышей после облучения
в дозе 7 Гр и в печени крыс после облучения в дозе 3 Гр
Протектор Клетки с хромосомными абберациями в первом митозе, %
Костный мозг Печень
МЭА 62 ± 17 —
АЭТ 61 ±3 44 ±4
Цистафос — 37 ±2
Мексамин 50 ±3 26 ±2
Физиологический раствор (контроль) 89 ± 1 49 ±3
Однако равнозначна ли для развития отдаленной лучевой па-
тологии одинаковая степень защиты активно и слабо пролифери-
рующих тканей?
Очевидно, нет. В активно пролиферирующих органах клетки,
несущие летальные хромосомные перестройки, погибают при
первых же митозах и быстро элиминируются из популяции, лишь
какая-то доля камбиальных клеток может содержать рецессивные
повреждения, являясь поставщиком неполноценных потомков.
Кроме того, большое число клеток активно пролиферирующих ор-
ганов погибает в интерфазе и также заменяется новыми, неповре-
жденными клетками. В неделящихся и дифференцированных тка-
нях такой формы гибели не наблюдается.
Следовательно, в большинстве дифференцированных сомати-
ческих тканей, даже в случае частичной защиты, сохраняется не-
сравненно большее количество клеток с патологически изменен-
ным хромосомным комплексом. Вероятно, не случайно защита от
отдаленных последствий наиболее четко показана в отношении
лейкозов, лимфом, эпиляции и поседения волос, т. е. активно про-
лиферирующих тканей. Менее четко выраженная защита от воз-
никновения других опухолей и преждевременного старения может
быть связана с незащищаемой и необратимой компонентой пора-
жения в большинстве соматических тканей организма.
Обсуждая сохранение множественных соматических мутаций,
следует иметь в виду еще ряд серьезных нарушений в облученном
организме, от которых протекторы также не защищают или защи-
щают слабо. Часть из них тоже является следствием рецессивных
402
мутационных событий, другие могут иметь и эпигеномную приро-
ду (см. гл. 17). К последним нарушениям относятся отдаленные
иммунологические последствия облучения (снижение естествен-
ного иммунитета и иммуногенеза), нормализация которых проис-
ходит лишь через большие промежутки времени, что также может
сказаться на состоянии организма в целом, в том числе и на про-
должительности жизни. На основании данных о том, что при вве-
дении костного мозга, облученного in vitro в присутствии АЭТ, вы-
живало 90—100 % облученных реципиентов без увеличения числа
вторичных заболеваний (иммунологической природы), было вы-
сказано предположение о преимущественной защите гемопоэти-
ческих клеток по сравнению с иммунокомпетентными. В после-
дующем эта точка зрения нашла подтверждение в экспериментах
Т. Кудковича с успешной трансплантацией гомологичных клеток
печени животных, предварительно защищенных АЭТ. Этим дан-
ным, однако, можно дать и другую интерпретацию: возможно, по-
ражение рассматриваемых систем наступает уже при небольших
дозах, в связи с чем защита их в диапазоне среднелетальных доз не
может быть обнаружена.
В состав необратимой компоненты лучевого поражения, опре-
деляющей, по существу, развитие отдаленных последствий, входят
и другие функциональные нарушения, степень защиты от которых
также трудно поддается количественной оценке. Не исключено,
например, что снижение функциональной активности кроветво-
рения при больших суммарных дозах или в отдаленные сроки по-
сле облучения частично обусловлено аномалиями генома в клет-
ках регулирующих систем (нервной и эндокринной), как извест-
но, практически не делящихся и сохраняющих хромосомные по-
вреждения. Тогда у защищенных животных такие расстройства
кроветворения должны быть достаточно сильно выражены, так
как даже в случае частичного ослабления хромосомных наруше-
ний огромное число клеток регулирующих систем все же будет со-
держать функционально неполноценный геном.
Рассматривая связь противолучевой защиты с процессами по-
страдиационного восстановления в организме, следует напом-
нить, что наряду с двумя его типами, характерными для непосред-
ственных эффектов облучения (репарацией на клеточном уровне и
репопуляцией), существует третий, обобщающий тип — постра-
диационное восстановление в отдаленные сроки. При этом по-
следний усложняется в биологических объектах по мере перехода
от менее организованных к более развитым. Поэтому максималь-
ное ослабление отдаленных последствий можно ожидать при при-
403
Время после облучения, сут
Рис. 19.18. Продолжительность жизни мышей, защищенных пятикомпонент-
ной рецептурой протекторов (микстурой) перед облучением в дозах
6,5—7, 10, 13 и 20 Гр (по Д. Мэзену, 1968)
менении многокомпонентных рецептур в расчете на дифференци-
рованную защиту отдельными их компонентами большего числа
органов и систем.
Д. Мэзен показал, что пятикомпонентная рецептура (АЭТ,
глутатион, цистеин, серотонин и МЭА) наряду с выраженным эф-
фектом при 30-суточном наблюдении (см. рис. 19.16) при дозах до
10 Гр оказывает близкое по величине защитное действие и в отно-
шении сокращения продолжительности жизни (рис. 19.18). При
увеличении дозы до 13,5 Гр и выше причиной гибели мышей были
радиационные пневмониты, которые эта смесь уже не ослабляла.
Многокомпонентная защита способствовала также ослабле-
нию лейкемогенного эффекта облучения. Средняя продолжитель-
ность жизни защищенных смесью протекторов мышей после об-
лучения в дозе 13,5 Гр была примерно такой же, как при дозе
6,5—7 Гр в контроле, а лейкемогенный эффект значительно
уменьшался — с 34 до 12,4% (табл. 19.4). В то же время применение
одного АЭТ при меньшей дозе (10 Гр) оказалось неэффективным
или даже способствовало повышению частоты лейкозов.
404
Таблица 19.4. Влияние пятикомпонентной смеси протекторов
на развитие лейкозов у облученных мышей
Вариант опыта Количест- во мышей Из них с лей- козами, % Средняя продолжи- тельность жизни, сут
Контроль 30 27,0 763
Облучение, 6,5—7 Гр 82 34,0 291
Смесь + облучение, 6,5—7 Гр 46 32,5 568
Смесь + облучение, 13,5 Гр 107 12,4 324
АЭТ + облучение, 10 Гр 50 46,6 314
Из данных табл. 19.4 следует также, что частота лейкемий у жи-
вотных, защищенных пятикомпонентной рецептурой при облуче-
нии в дозах 6,5—7 Гр, не отличается от незащищенного контроля,
что связано с резким увеличением средней продолжительности
жизни в опыте по сравнению с контролем. Обнаружена также сла-
бая защита той же смесью от эпителиом и сарком.
В 1980 г. нами в совместных исследованиях с С.Н. Александро-
вым и В.Ф. Дубровской было проведено несколько серий опытов,
результаты которых должны были позволить оценить влияние об-
щей гипоксии на развитие отдаленных последствий. Половозре-
лых мышей подвергали тотальному у-облучению или облучению
передней половины тела в дозах 2,5; 4,0; 5,5 и 7,5 Гр на воздухе или
в условиях дыхания смесями, содержащими 6—8% кислорода. Ус-
редненные данные повторных экспериментов на 780 мышах-гиб-
ридах F^CBA х С57ВГ) показали, что перевод животных во время
облучения на дыхание гипоксическими смесями существенно ос-
лаблял отдаленные последствия облучения. Радиационное сокра-
щение средней продолжительности жизни уменьшалось с
ФИД = 2,2 (рис. 19.19), ослаблялась степень поседения (ФИД = 1,5),
Рис. 19.19. Сокращение средней про-
должительности жизни мышей после
общего облучения на воздухе (/) и в
условиях гипоксии (6—6, 5% О2) (2) -
представлены данные двух опытов
405
Рис. 19.20. Развитие кардио- и
нефросклероза при общем облу-
чении на воздухе (7) и в усло-
виях гипоксии (6—6,5% О?)
(2) — представлены данные двух
опытов
Рис. 19.21. Изменение массы
мышей после облучения перед-
ней половины тела:
7 —контроль; 2— 13,5 Гр в услови-
ях гипоксии; 5—18,5 Гр в условиях
гипоксии; 4— 13,5 Гр на воздухе
Время после облучения, мес
снижались частота и тяжесть нефро- и кардиосклероза (ФИД = 1,5;
рис. 19.20), а также вероятность возникновения отеков плевры и
перикарда, обусловленных сердечно-легочной недостаточностью
(ФИД = 1,4).
Защитное действие гипоксии при облучении передней полови-
ны тела проявлялось и по такому интегральному показателю, как
масса тела (рис. 19.21, ФИД = 1,4).
Заключая рассмотрение возможностей защиты от отдаленных
последствий облучения, нельзя не отметить существование труд-
ностей ее количественной оценки в связи с неизбежным влиянием
многих внешних факторов. Это влияние не всегда можно учесть
при длительном эксперименте, особенно при изучении бластомо-
генных эффектов из-за сложной дозовой зависимости «выхода»
опухолей (см. гл. 17), а также из-за большой доли спонтанных опу-
холей у интактных животных. Тем не менее отчетливо выявленная
радиозащитная эффективность гипоксических смесей в отноше-
нии отдаленных последствий облучения оказалась весьма важной
для использования гипоксии при лучевой терапии злокачествен-
ных опухолей (см. гл. 21).
406
19.7. Возможности использования средств
противолучевой защиты человеком
Несомненные успехи экспериментальной разработки средств
противолучевой защиты на разных видах животных продемонст-
рировали возможность в 1,5—2 раза ослабить поражающее дейст-
вие острого внешнего облучения (в большом числе экспериментов
ФИД = 2). Это давало основание рассчитывать на успешное ис-
пользование изученных протекторов человеком, подобно тому как
это имеет место в широкой фармакологической практике в отно-
шении других лечебно-профилактических препаратов. Однако на
пути применения радиозащитных средств человеком возникло
много трудностей и ограничений, преодоление которых остается
актуальным и по сей день.
Одно из главных ограничений использования фармакохимических
средств для противолучевой защиты человека состоит в том, что
они эффективны только при предварительном применении перед об-
лучением.
В чрезвычайных обстоятельствах их использование возможно
только при двух ситуациях — в случае упреждающего сигнала о
ядерной опасности и при преодолении зараженных радиоактив-
ными веществами полос и рубежей, если оно не занимает длитель-
ного времени, так как эффективность защитного эффекта протек-
торов с течением времени сильно падает.
В мирное время область применения радиозащитных средств
расширяется. Прежде всего они могут широко использоваться для
ослабления поражения нормальных тканей при лучевой терапии
опухолей (см. гл. 21). Кроме того, существует необходимость за-
щиты человека от радиационной опасности в космосе, особенно в
случае солнечных вспышек. Вследствие большого количества
энергии, освобождающейся при каждой из них, на космическом
корабле, несмотря на физическую защиту, создаваемую его стен-
ками (и усиленную в защитном отсеке), уровни облучения могут
достигать величин, опасных для здоровья космонавтов.
В этом случае, как было показано С. П. Ярмоненко (1967) в мо-
дельных экспериментах на мышах, использование протекторов
может оказаться полезным даже при начавшейся вспышке, так как
позволит отсечь часть эффективной поглощенной дозы. При дозах
1,5, 3,0 или 4,5 Гр облучение прерывали, мышам вводили смесь
протекторов (мексамин и цистафос) и через 15 мин продолжали
облучение так, что с учетом ФИД, принятого равным 1,9, ожидае-
407
Рис. 19.22. Защитный эффект
комплекса протекторов (мексамина
и цистафоса), введенного в про-
цессе облучения: стрелкой указана
ожидаемая эффективная доза (при
суммировании первоначальной и
повторной) с учетом ФИД = 1,9;
точки и доверительные интервалы
при р < 0,005 — фактическая эф-
фективная доза
/ — ФИД; 2 — повторная доза;
3 — первоначальная доза
И7 ИРШ-?
мая суммарная доза во всех трех случаях должна была составить
6 Гр (~ ЛД5О/ЗО).
Как видно из рис. 19.22, на котором схематически представле-
ны полученные результаты, предполагаемый защитный эффект и
наблюдавшийся в опытах мало различались между собой. Во всех
трех вариантах опытов к 30-м сут выживало около половины защи-
щенных животных.
Таким образом, в эксперименте подтвердилась теоретически
предсказанная величина ФИД для комплекса протекторов, по-
скольку суммарные эффективные дозы (с учетом защиты) оказа-
лись близкими к ожидаемым. Следовательно, на эффективность
протекторов, введенных в организм в процессе облучения, не ока-
зывает влияния поглощенная доза, уже полученная к моменту вве-
дения протектора, благодаря чему степень ослабления последую-
щей дозы оказывается соответствующей величине ФИД, свойст-
венной определенному протектору или смеси протекторов при их
использовании перед однократным облучением.
Другое ограничение, препятствующее практическому приме-
нению протекторов, состоит в их высокой токсичности и малой
терапевтической широте (диапазоне между токсичными и эффек-
тивными дозами) препаратов.
Оба эти ограничения в той или иной степени присущи и дру-
гим классам лечебно-профилактических средств, однако коренное
и принципиальное отличие от них состоит в особенностях повреж-
дающего агента — ионизирующего излучения. Успешная реализа-
ция биологической противолучевой защиты, как это было видно
из изложения ее механизмов, требует либо присутствия молекул
408
протектора в критическом органе, либо создания в нем состояния
гипоксии, но обязательно только в процессе размена энергии из-
лучения.
Иными словами, в отличие от всех остальных патологических
состояний, когда в распоряжении врача имеется больший или мень-
ший запас времени, в случае использования протекторов гарантиро-
ванный успех ограничен минимальным отрезком времени между их
введением в организм и периодом облучения.
Наконец, в связи с тем, что реальная оценка эффективности
протекторов для человека может производиться только в условиях
лучевой терапии опухолей, возникает еще одно препятствие — необ-
ходимость преимущественной защиты нормальных тканей без ос-
лабления противоопухолевого эффекта радиации.
Каковы же возможности реальной биологической защиты че-
ловека?
Анализ современного состояния этого вопроса, несмотря на
очевидную сложность однозначного ответа, не дает оснований для
пессимизма.
Прежде всего нельзя механически переносить на человека
дозы фармакологически активных соединений, определенные для
животных, в расчете на килограмм массы, ибо из общей фармако-
логии известно, что для достижения равнозначного эффекта чело-
веку часто требуется значительно меньшее количество препарата,
чем животным. В.Г. Владимиров и Т.Г. Джаракян в монографии,
посвященной этому вопросу (1983), обосновали проведение соот-
ветствующих расчетов следующим образом. Размеры клеток одних
и тех же тканей у млекопитающих разных видов примерно одина-
ковы, а количество микросом и митохондрий и, следовательно,
содержание в них ферментов и других активных биосубстратов у
мелких лабораторных животных значительно выше. Например,
концентрация цитохрома С у мыши составляет 1105 мкг/г сухой
массы ткани, а у человека 45. Отсюда фармакологическая актив-
ность веществ, связанная с воздействием на митохондрии, даже
при равенстве внутриклеточной концентрации препарата будет
различной. Равноэффективные дозы, например, мефеназина для
мышей и человека различаются в 10 раз при расчете на единицу
массы и только в 2 раза при расчете на единицу поверхности тела.
Исследования последнего времени показали возможность из-
бирательной защиты нормальных тканей по сравнению с опухоля-
409
ми благодаря особенностям их гемодинамики, метаболизма, а так-
же опосредованного влияния регулирующих систем (см. гл. 21).
При этом важно, что для существенного повышения эффективно-
сти лучевой терапии вполне достаточно ослабления поражения
нормальных тканей с ФИД = 1,2.
Наиболее существенные достижения в области противолуче-
вой защиты были получены в последние годы при изучении аль-
фа-адреномиметиков, в результате которых был отобран как наи-
более эффективный препарат индралин.
Впервые противолучевые свойства у адреномиметиков были
отмечены в 1952 г. в работах 3. Бака, А. Эрва и Д. Грея. Наиболее
выраженными противолучевыми свойствами обладают альфа-ад-
реномиметики. Среди них наиболее всесторонне изучен индра-
лин. Индралин является радиопротектором экстренного дейст-
вия, предназначенного для защиты персонала от воздействия вы-
сокоинтенсивного ионизирующего излучения в условиях радиа-
ционных аварий на АЭС и других радиационно опасных объектах.
Препарат входит в состав индивидуальной противорадиационной
аптечки АП для персонала предприятий атомной энергетики РФ.
Выраженные противолучевые свойства индралина выявлены
на шести видах животных: мышах, крысах, хомячках, морских
свинках, собаках и обезьянах [Васин М.В., 2001, Ильин Л.А. и со-
авт., 1994]. Индралин пока единственный среди известных радио-
протекторов, с помощью которого была установлена возможность
достижения максимального радиозащитного эффекта с ФИД,
близким к 3, на крупных животных (собаках). В табл. 19.5 пред-
ставлены данные по противолучевым свойствам индралина на со-
баках при сверхсмертельных дозах. При этом он обладает значи-
тельной широтой радиозащитного действия на крупных животных
(терапевтический индекс составляет 20—30).
Таблица 19.5. Противолучевая эффективность индралина в опытах на со-
баках при сверхсмертельных дозах у-облучения (по Л.А.Ильину и др., 1994)
Группа Доза облуче- ния, Р Доза индра- лина, мг/кг Количество животных Выживаемость, %
Контроль 400 — 10 0
Индралин 400 10 62 90,3
600 10 10 60,0
600 30 10 100,0
700 30 10 100,0
800 30 20 55,0
410
Индралин, являясь альфа-адреномиметиком прямого дейст-
вия, способен вызывать вазоконстрикторный эффект, не уступаю-
щий адреналину. Механизм его радиозащитного действия тесно
связан с развитием острой гипоксии в радиочувствительных тка-
нях. Сравнительный анализ высокой противолучевой эффектив-
ности индралина на собаках и его практически полное отсутствие
в тех же условиях у мексамина при равном (в 2 раза) снижении на-
пряжения кислорода в костном мозге животных свидетельствует,
что отмечаемая степень циркуляторной гипоксии в радиочувстви-
тельных тканях не может полностью обеспечить наблюдаемый ра-
диозащитный эффект индралина. Существенный вклад в развитие
острой гипоксии в радиочувствительных тканях, очевидно, может
внести метаболическая гипоксия вследствие усиления потребле-
ния кислорода в тканях под действием адреномиметиков.
Помимо выраженных противолучевых свойств и большой ши-
роты радиозащитного действия, индралин обладает еще одним
преимуществом перед другими радиопротекторами, важным в
экстремальных аварийных ситуациях, а именно — небольшим ин-
тервалом времени (около 5 мин) для достижения радиозащитного
действия после его приема внутрь в виде таблеток (разовая доза 3
таблетки по 0,15 г).
Все эти данные послужили основанием для клинической оцен-
ки и принятия индралина (под шифром Б-190) в качестве профи-
лактического радиозащитного средства у практически здоровых
людей в чрезвычайных условиях и аварийных ситуациях в случае
прогнозирования получения ими доз облучения, вызывающих
развитие ОЛБ.
Инструкция по применению препарата Б-190 одобрена Фар-
макологическим комитетом Минздрава России 15.11.2002 г. и ут-
верждена 19.06.2003 г. Департаментом государственного контроля
лекарственных средств и медицинской техники Минздрава Рос-
сии.
Тем не менее дальнейшая разработка средств и способов био-
логической противолучевой защиты организма по-прежнему ос-
тается актуальной, хотя и сложной задачей радиобиологии челове-
ка как с практической точки зрения, так и с целью углубления тео-
ретических основ и дальнейшего изучения молекулярно-клеточ-
ных механизмов действия ионизирующих излучений.
411
РЕЗЮМЕ
• Под фармакохимической противолучевой защитой пони-
мают ослабление лучевого поражения организма применением
различных агентов — радиопротекторов.
• Эффективность защиты максимально выражена при од-
нократном воздействии редкоионизирующими видами радиа-
ции; снижается с ростом ЛПЭ, а также при фракционирован-
ном и, особенно, при хроническом облучении.
• Наиболее эффективные радиопротекторы представлены
двумя классами соединений — серосодержащими — аминоал-
килтиолами и индолилалкиламинами. Кроме того, реальным
радиозащитным агентом являются обедненные кислородом
газовые смеси.
• Применение радиопротекторов эффективно только при
введении их перед облучением, так как в процессе облучения в
защищаемых клетках должно поддерживаться либо достаточ-
ное для реализации защитного эффекта содержание молекул
протектора, либо необходимое для этого состояние метаболиз-
ма.
• Независимо от справедливости изложенных в главе гипо-
тез, стремящихся непротиворечиво объяснить молекулярные
механизмы биологической противолучевой защиты, на фено-
менологическом уровне суть ее сводится к ослаблению лучево-
го поражения клеток критических органов.
• Иными словами, применение протекторов, ослабляя все
виды лучевого поражения клеток, как бы снижает дозу облуче-
ния на определенную величину, именуемую фактором измене-
ния дозы (ФИД).
• ФИД в отношении большинства детерминированных эф-
фектов облучения животных колеблется от 1,2 до 3,0 в зависи-
мости от конкретных использованных протекторов или их со-
четаний, а также от критерия оценки.
• Защита в отношении отдаленных последствий выражена
значительно слабее и проявляется только у отдельных протек-
412
торов, в частности у тех, действие которых реализуется опосре-
дованно, через гипоксию.
• Эффективность противолучевой защиты установлена на
разных видах животных — мышах, крысах, морских свинках,
собаках и обезьянах, однако практическое применение про-
текторов человеком пока весьма ограничено, и эта проблема
требует дальнейшей разработки.
/-ч гх ГЛАВА
ZU КОМБИНИРОВАННОЕ ДЕЙСТВИЕ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
С ДРУГИМИ АГЕНТАМИ
Экзогенные факторы, включая радиацию, воздействуют на
человека не изолированно, а в сочетании друг с другом
Виды и терминология комбинированных эффектов
Механизмы и способы изучения комбинированных воздей-
ствий
Вопросы дозиметрии действующих агентов
Вследствие постоянно возрастающего в результате человече-
ской деятельности широкого распространения в окружающей сре-
де многих антропогенных факторов оценка токсичности, канце-
рогенности и мутагенности любого физического (в том числе ио-
низирующей радиации), химического или биологического агента
фактически является изучением комбинированных воздействий.
Хотя это обстоятельство давно признано (Отчеты НКДАР
1982—2000 гг.), оценки рисков, как правило, осуществляются при
упрощенном предположении, что изучаемый агент действует в
большой степени независимо от других1.
Изучение комбинированных эффектов указывает, что, по
крайней мере при высоких уровнях воздействия, на действие од-
ного из агентов могут оказывать влияние другие агенты. При этом
совместный эффект может быть большим или меньшим, чем сум-
ма эффектов каждого из агентов по отдельности. Мы уже касались
этих вопросов при феноменологическом описании радиомодифи-
кации в 7-й главе, а конкретные примеры комбинированного при-
менения радиации в сочетании с радиомодифицирующими и хи-
миотерапевтическими средствами будут приведены в следующей,
21-й главе, посвященной лечебному применению ионизирующих
излучений. Важно отметить, что во всех этих случаях радиация ис-
пользуется в высоких дозах, когда конечными показателями всег-
да служат детерминированные эффекты.
1 Это не касается необходимости детального рассмотрения аспектов действия
каждого конкретного агента, в частности ионизирующих излучений, составляю-
щего предмет изучения радиобиологии, что является главной задачей данного ру-
ководства.
414
Значительно менее изучена возможность оценки комбиниро-
ванных эффектов при низких уровнях действующих агентов, кото-
рые имеют место в обычной жизни и в профессиональных услови-
ях. В этих случаях при низких уровнях одного облучения или во
взаимодействии его с другими агентами главные конечные показа-
тели имеют стохастическую природу. Поэтому, учитывая большую
практическую значимость подобных данных, чтобы сделать пра-
вильные выводы из соответствующих радиационно-эпидемиоло-
гических исследований, необходим их постоянный критический
анализ, о чем совершенно справедливо сделаны выводы в «Отчете
НКДАР-2000».
20.1. Терминология комбинированных эффектов
При оценке эффектов комбинированных воздействий необхо-
димо придерживаться строгих определений, так как терминологи-
ческая путаница препятствует адекватному восприятию результа-
тов сравнительных исследований.
Один из основных вопросов в этой области заключается в сле-
дующем: равен ли эффект комбинированного воздействия двух
или более агентов сумме эффектов каждого из агентов по отдель-
ности или он отличается от той суммы? Для ответа на этот вопрос
используют различные термины и синонимы, которые, как видно
из табл. 20.1, основаны на отклонениях от ожидаемого результата в
случае простого сложения раздельных эффектов, т.е. от аддитив-
ности.
Таблица 20.1. Термины и синонимы для описания комбинированных
эффектов
Эффект меньше ожидаемого Ожидаемый эффект Эффект больше ожидаемого
Антагонизм Антергизм Депотенцирование Десенсибилизация Ингибиция Инфра-аддитивность Негативное взаимодей- ствие Негативный синергизм Субаддити в ность Аддитивность Аддитивизм Независимость Н ед и ффере нтность Отсутствие взаимодей- ствия Суммирование Нулевое взаимодейст- вие Увеличение Усиление Позитивное взаимо- действие Потенцирование Сенсибилизация Супераддитивность Супрааддитивизм Синергизм Синергетика
415
20.2. Механизмы и методы изучения
комбинированных воздействий
На описательном уровне могут рассматриваться две группы
комбинированных эффектов. В одном случае как ионизирующее
излучение, так и другой (другие) агент вредны сами по себе и их
комбинированное воздействие приводит к эффектам, которые по
одиночным воздействиям напрямую не предсказываются. В дру-
гом — эффект производит только ионизирующее излучение, но
характер и выраженность этого эффекта могут быть модифициро-
ваны другим агентом, который сам по себе не токсичен.
Что касается механизменного уровня, то сведения, получен-
ные в недавние годы, указывают на необходимость намного более
совершенной классификации. Главные классы генотоксичных и
негенотоксичных агентов должны рассматриваться относительно
определенных мишеней. Например, какое-нибудь химическое ве-
щество, подействовав именно на сайте радиационно-индуциро-
ванного повреждения, может повлиять либо на правильность ре-
парации ДНК, либо на клеточный рост, способствуя экспансии
клонов предраковых клеток. Разнообразие возможностей взаимо-
действия связано со сложностью развития радиационных эффек-
тов и их многоступенчатостью, включая процесс развития рака.
При этом каждая из ступеней может быть подвергнута влиянию
разнообразных эндогенных агентов или факторов окружающей
среды.
На рис. 20.1 схематически изображен многоступенчатый про-
цесс стохастических эффектов облучения и представлены заслу-
живающие внимания уровни взаимодействия. Идентификация
важнейших комбинированных эффектов производится методами
классической эпидемиологии, возможностей которых явно недос-
таточно для вычленения таких взаимодействий из сложной игры
между воздействующими факторами. К тому же не документиро-
ванные или вообще неизвестные, хотя вовлеченные в исследова-
ния лица, подвергаются действию этих факторов в течение всей
жизни.
Возможно, такие сложные вопросы в ближайшем будущем ста-
нут предметом изучения развивающейся области молекулярной
эпидемиологии. Пока же большая часть сведений об эффектах
взаимодействий получена в результате экспериментальных иссле-
дований. Преимущество этих исследований над эпидемиологиче-
скими заключается в возможности контроля определяющих пара-
метров изучаемых популяций (от ДНК до животных, вид, линия,
416
10'15- Поглощение энергии
Возбуждение/ионизация
10’12- Исходные треки частиц
9 Формирование радикалов
Диффузия, химические реакции
Ю'6 - Первичное повреждение ДНК
1(Г3 -- 1мс Разрывы ДНК/базовое повреждение_
Физические
взаимодействия
Физико-химические
взаимодействия
10° — 1с
103 --1Ч
, - 1день
106 -
- 1Г0Д
109 -
- Юлет
Процессы репарации
Фиксация повреждения
Гибель клеток
Мутации/трасформации/аберрации
Полиферация поврежденных клеток
Промоция/завершение
Тератогенез
Рак
Наследственные дефекты
Биологические
реакции
Медицинские
эффекты
Рис.20.1. Схема развития событий, приводящих к стохастическим радиаци-
онным эффектам. (Приложение Н к «Отчету НКДР-2000»)
возраст, пол и др.), характеристик воздействия (тип, доза, интен-
сивность, время), а также конечных показателей. Кроме того, при
экспериментальных исследованиях с большим основанием можно
напрямую соотнести меру воздействия и эффект, чем при типич-
ных исследованиях у человека. Это определяется хотя бы тем, что
история предмета изучения, а также воздействия известны и
управляются, что облегчает установление причинно-следствен-
ных связей.
Однако недостаток экспериментов на клеточном уровне, да и
на животных состоит в необходимости экстраполировать резуль-
таты на человека, при этом часто с высоких доз облучения в экспе-
риментах на низкие уровни радиационного воздействия у челове-
ка. В этом случае наибольшая неопределенность связана с возмож-
ной неясностью при низких уровнях наличия порога и формы за-
висимости доза—эффект. Сбалансированное заключение о совме-
стном воздействии агентов можно дать только в случае, когда из-
вестны эти зависимости как для действующих агентов по отдель-
ности, так и для комбинированного воздействия, и используя мо-
417
Воздействие
Рис. 20.2. Взаимодействие двух агентов, действие которых зависит от дозы.
Изоаддитивные результаты для агентов, имеющих сходный механизм
действия, гетероаддитивность для независимо действующих агентов
(по У. Синклеру, 1991)
дель, в которой оно может быть определено единообразно и
количественно. Большинство исследований по комбинирован-
ным воздействиям этим условиям не отвечают.
Простейшая зависимость между дозой и эффектом — линей-
ная. В рамках такой зависимости наиболее часто рассматриваемы-
ми тремя типами взаимодействий между двумя агентами являются
аддитивность, синергизм и антагонизм. Соответственно комбини-
рованный эффект или равен эффектам независимых воздействий,
или больше или меньше их.
Для комбинированных эффектов агентов с нелинейными за-
висимостями доза—эффект анализ сложнее, так как требует более
точных определений терминов «аддитивность», «синергизм» и
«антагонизм». Например, для зависимости доза—эффект с изги-
бом вверх (рис. 20.2) дополнительное приращение дозы одного
агента приведет к нелинейному увеличению ответа, даже в случае
аддитивности. Иногда для таких ситуаций неправильно использо-
вался термин «синергизм» [Зельцер Ф. и др., 1993]. Вполне кор-
ректное на описательном и математическом уровнях столь широ-
кое определение делает термин «синергизм» практически беспо-
лезным при изучении комбинированных эффектов. При таком
определении агенты с одинаковым спектром действия, т.е. полно-
стью независимые, при любых дозах обнаружили бы кажущийся
синергизм.
418
В свете механизменных представлений синергизм можно оп-
ределить более узко, чтобы отразить, что комбинированное воз-
действие агентов осуществляется на разных этапах многоступен-
чатого процесса или на различных сайтах, что за счет различных
меанизмов повышает шансы неблагоприятного исхода такого за-
болевания, как рак [БоркартВ., 1993]. Такой анализ, к сожалению,
затруднительно осуществить в виду недостаточных знаний базис-
ного механизма воздействия, поэтому его редко проводят.
В практическом плане термин «синергизм» приемлемее ис-
пользовать в узком смысле. Наиболее важный вопрос состоит в
том, свидетельствуют ли данные по комбинированным эффектам
о модификации стохастических радиационных последствий в
результате воздействий с другими агентами. Если это не так, то ка-
кого-либо взаимодействия предположить нельзя и конечный эф-
фект аддитивен. Если же результат комбинированного воздейст-
вия иной, то следует допустить некоторую форму взаимодействия,
а конечный эффект будет называться суб- или супрааддитивным, в
зависимости от того, меньше эффект или больше соответственно,
чем сумма эффектов отдельных агентов.
20.3. Оценка комбинированных воздействий
Наиболее важной предпосылкой для сравнительной оценки
биологических эффектов различных агентов, а также их возмож-
ных взаимодействий является дозиметрия воздействующих аген-
тов. Для ионизирующего излучения имеются хорошо разработан-
ные методики, позволяющие оценить поглощенную дозу в любом
объеме — от ядра клетки до отдельного органа и организма в це-
лом. Значительно труднее дать понятие дозы или меры воздейст-
вия неионизирующих излучений, а также большинства химиче-
ских и биологических агентов.
Ультрафиолетовое излучение, например, способно проникать
в ткань самое большее на несколько миллиметров (в зависимости
от длины волны). Оценить энергию, поглощенную в интересую-
щей ткани, и таким образом эффективность УФ, непросто. Еще
сложнее дозиметрия высокочастотных электромагнитных излуче-
ний, которые в последние годы приобретают все большее распро-
странение в связи с бурным развитием мобильной телефонизации
и телевидения.
Для химических и биологических агентов оценки внутренней
дозы включают концентрацию агента или его метаболитов, при-
419
сутствующих в клетках, тканях или жидкостях организма. При
этом понятие дозы необходимо построить на интеграле концен-
трации во времени. Однако здесь в дополнение к обычному важно-
му вопросу о критических клеточных мишенях степень генетиче-
ского повреждения или эпигенетического сигнала определяется
также активацией и преобразованиями химических агентов в раз-
личных органах и системах. Описание используемой при этом
сложной системы молекулярных маркеров и функциональных по-
казателей клеточного метаболизма, находящейся в стадии посто-
янной разработки применительно к отдельным химическим и
биологическим агентам — биохимического мониторинга, — вы-
ходит за пределы изложения в данном руководстве.
Можно лишь констатировать, что первичные молекулярные и
клеточные эффекты многих агентов, потенциально вовлеченных в
комбинированные воздействия, чрезвычайно разнообразны. По-
этому какая-либо унифицирующая концепция дозы непримени-
ма. Однако сравнение токсичности может быть основано на под-
ходящих экспериментальных и клинических конечных показате-
лях, причем иногда связи с первичными повреждениями и воздей-
ствиями расплывчаты и запутаны. В настоящее время имеется
большое количество количественных и полуколичественных ин-
дикаторов воздействия. Повреждение ДНК, например, можно из-
мерить вплоть до функционального уровня отдельных генов, что
позволяет прямо на этом уровне сравнивать биологическую актив-
ность различных агентов и оценивать возможные взаимодействия.
Однако остается проблемой применимость стандартных методик
анализа к критическим клеткам и тканям.
Опуская описание многочисленных исследований комбини-
рованных эффектов различных агентов, ограничимся изложением
основных результатов взаимодействий ионизирующего излучения
с другими физическими, химическими и биологическими агента-
ми с позиций влияния на здоровье.
Совместное воздействие различных типов ионизирующего из-
лучения обнаруживает, как правило, изоаддитивные эффекты. С
уменьшением дозы и при хроническом облучении квадратичный
член зависимости доза—эффект стремится к пренебрежимо малой
величине, а линейные члены становятся преобладающими, что оз-
начает аддитивность при низких уровнях облучения.
При низких уровнях совместного воздействия УФ-излучения и
ионизирующего излучения эффект также аддитивен.
Температура и ультразвук не считаются факторами, заметно
влияющими на радиационный риск, так как области температуры
420
и ультразвука, необходимые для проявления взаимодействия с ио-
низирующим излучением, охватывают слишком высокие значе-
ния (например, использование гипертермии при лечении рака, гл.
21), чтобы иметь отношен ие к нормативам для окружающей среды
или на рабочих местах.
Минеральные пыль и волокна, включая асбест, при высоких
уровнях (имевшихся на рабочих местах в 50-е годы и ранее) могут
проявлять супрааддитивное взаимодействие с излучением. Сейчас
профессиональные уровни воздействия ниже, но эти агенты все
же заслуживают внимания вследствие их потенциальной способ-
ности увеличивать риск при совместном воздействии.
При высоких уровнях воздействия проявляются многочислен-
ные эффекты супрааддитивности, связанные с взаимодействием
генотоксичных соединений (например, алкилирующих агентов) с
излучением. Однако при низких уровнях воздействия нет меха-
низменных свидетельств комбинированных эффектов, больших,
чем ожидаемые при изоаддитивности.
Негенотоксичные агенты, обладающие митогенной, цитоток-
сической или гормональной активностью, могут взаимодейство-
вать с излучением, проявляя как аддитивные, так и супрааддитив-
ные эффекты. При этом высокие уровни воздействия способны
повышать радиационный риск на органной фазе развития рака, а
при низких уровнях комбинированного воздействия эффект будет
либо аддитивным, либо слабо супрааддитивным.
Особое внимание должно быть уделено взаимодействию излу-
чения с табачным дымом, который сам по себе представляет слож-
ную смесь различных генотоксичных и негенотоксичных соедине-
ний. Комбинированное воздействие излучения и табачного дыма
четко обнаруживает супрааддитивные эффекты.
Тяжелые металлы и мышьяк могут вызывать образование сво-
бодных радикалов или нарушать механизмы репарации ДНК и, та-
ким образом, также быть причиной супрааддитивных эффектов.
Многие злокачественные образования человека имеют отно-
шение к образу жизни, питанию и другим, связанным с питанием
факторам. Наблюдения показывают увеличение числа заболева-
ний при употреблении рибофлавина, этанола и большого количе-
ства жиров. При рационе с малым количеством жиров, включаю-
щем некоторые витамины, частота опухолей снижается.
Анализ многолетних исследований и современного состояния
изучения оценок комбинированных эффектов ионизирующего
излучения с другими агентами, проведенный в специальном науч-
421
ном приложении к «Отчету Н КДАР-2000», позволил прийти к сле-
дующему заключению.
При сильных воздействиях встречаются и синергические, и ан-
тагонистические комбинированные эффекты, однако нет убеди-
тельных свидетельств тому, что при контролируемых профессио-
нальных или внешнесредовых воздействиях имеются отклонения
от аддитивности. Это справедливо в отношении механизменных
соображений при исследованиях на животных, а также оценок, ос-
нованных на эпидемиологии. Поэтому, несмотря на потенциаль-
ную важность комбинированных эффектов, результаты оценок
воздействия одиночных агентов на здоровье человека считаются
применимыми к ситуациям, когда воздействуют и множественные
агенты.
За исключением излучения и курения эпидемиологические
данные предоставляютлишь слабые доводы в пользу необходимых
поправок на значимые антагонистические или синергические
комбинированные эффекты. Количественный анализ радиацион-
ных рисков при малых дозах пока невозможен, ибо возможные от-
клонения от аддитивности при слабых воздействиях настолько
малы, что они не могут проявиться ни в экспериментальных ис-
следованиях, ни в популяционных когортах.
РЕЗЮМЕ
• Комбинированные воздействия — характерные явления
жизни. Почти все агенты окружающей среды — физические,
химические и биологические, как естественные, так и антро-
погенные, — при определенных условиях воздействия могут
вызывать неблагоприятные эффекты.
• Идентификация комбинированных воздействий различ-
ных видов ионизирующего излучения и его разнообразных со-
четаний с другими агентами осуществляется на основании экс-
периментальных исследований на животных и с помощью ме-
тодов эпидемиологии. Те и другие имеют свои достоинства и
недостатки.
• Важной предпосылкой количественной оценки комби-
нированных эффектов является дозиметрия действующих
агентов. Наиболее хорошо дозиметрия представлена при изме-
рении ионизирующего излучения в рамках концепции погло-
щенной дозы. Значительно слабее эти вопросы разработаны
применительно к другим агентам, для идентификации которых
422
пользуются часто далеко не совершенными методами биохи-
мического мониторинга.
• При высоких уровнях воздействия могут возникать самые
различные типы комбинированных эффектов — аддитивные и
отклоняющиеся от нее в обе стороны антагонистические и си-
нергические эффекты.
• За исключением сочетания излучения с курением нет
свидетельств, что воздействия множественных агентов при
низких уровнях приводят к комбинированным эффектам, да-
леким от аддитивности или превышающим оценки согласно
линейной экстраполяции эффектов одиночных агентов к
меньшим дозам.
ГЛАВА
2 1 РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЛЕЧЕБНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Радиобиологические принципы лечения злокачественных
новообразований
Роль опухолевой гипоксии
Пути и средства избирательного усиления лучевого пораже-
ния опухолей и селективной защиты нормальных тканей:
сенсибилизаторы и протекторы
Использование особенностей метаболизма опухолей
Гипертермия
Тяжелые ядерные частицы в лучевой терапии
Увеличение толерантности нормальных тканей изменением
режима фракционирования
Задачей лучевой терапии рака является подавление способно-
сти опухолевых клеток к неограниченному размножению. При не-
большом размере опухолевого очага эта задача решается путем
подведения к опухоли дозы, одномоментно подавляющей клоно-
генный потенциал всех составляющих опухоль клеток. Требуемую
дозу можно подсчитать, исходя из известных кривых «доза—эф-
фект» для выживаемости (клоногенной способности) опухолевых
клеток различного происхождения, а также объема новообразова-
ния, зная, что в каждом кубическом миллиметре любой ткани со-
держится около 1 млн клеток. Примером одномоментного воздей-
ствия является протонная терапия (см. ниже) меланомы сетчатки
глаза и опухолей гипофиза, проводимая за один сеанс облучения.
Однако такие условия представляют исключение, и при луче-
вой терапии в зоне облучения неизбежно оказываются и опухоль,
и окружающие ее здоровые ткани. Более того, часть нормальных
тканей подвергается облучению специально, с целью подавления
роста опухолевых клеток, проникающих туда в результате прису-
щей им способности к инвазивному росту.
Постоянной технической составляющей прогресса лучевой те-
рапии является совершенствование аппаратуры и источников об-
лучения, призванных обеспечить лучшее пространственное рас-
пределение дозы между зоной опухолевого роста и окружающими
424
тканями. В первые десятилетия развития лучевой терапии основ-
ной задачей являлось повышение энергии рентгеновского излуче-
ния, что позволило перейти от лечения поверхностно располо-
женных новообразований к глубоко расположенным опухолям.
Появление кобальтовых гамма-установок позволило улучшить со-
отношение глубинной и поверхностной доз. Дело в том, что спад
мощности дозы у-излучения 60Со по глубине ткани идет менее кру-
то, чем при действии рентгеновского излучения, к тому же макси-
мум поглощенной дозы располагается не на поверхности, как при
рентгеновском излучении, а на глубине 3—4 мм. Эффективность
перехода от рентгеновского к у-излучению проиллюстрирована в
табл. 21.1.
Таблица 21.1. Сравнительные результаты лечения опухолей рентгеновским
и у-излучением (по Д. Буну и др., 1971)
Вид опухоли 5-летняя выживаемость больных, %
Рентгеновское излучение у-излучение
Рак тела матки 35-45 55-65
Рак предстательной железы 5-15 55-60
Рак мочевого пузыря 0,5 25-35
Семинома 65-75 75-90
Рак носоглотки 20-25 45-50
Следующим этапом стало использование линейных ускорите-
лей электронов, которые позволяют проводить облучение пучком
самих ускоренных электронов, а также тормозным излучением.
Наиболее совершенные установки сейчас снабжаются лепестко-
вым коллиматором, позволяющим формировать поле облучения
соответственно форме новообразования.
Еще более совершенное пространственное распределение по-
глощенной дозы между опухолью и окружающими ее нормальны-
ми тканями по сечению пучка и по его оси сейчас получают, ис-
пользуя тяжелые (по сравнению с электроном) заряженные части-
цы, к которым относят протоны, ионы гелия, ионы тяжелых эле-
ментов, в первую очередь углерода (12С5+), а также п~- мезоны.
Независимо от технического прогресса лучевой терапии не ме-
нее важным является биологическое направление ее усовершенст-
вования и повышения эффективности, которому и будет уделено
внимание в данной главе. Речь идет о разработке методов расши-
рения «терапевтического интервала» в радиочувствительности
опухолей и попадающих в зону лучевого воздействия нормальных
425
тканей. Такие исследования в течение многих десятилетий успеш-
но проводились лучевыми терапевтами на чисто эмпирической
основе, однако в последние годы они все в большей мере стали
опираться на радиобиологические исследования, выяснившие де-
тали процессов, происходящих при облучении в различных тка-
нях. Лучевая терапия — область постоянного практического при-
ложения радиобиологических знаний.
В развитых странах полные курсы того или иного варианта лу-
чевой терапии проходит до 50% онкологических больных, в Рос-
сии — не более 25%, причем во многих случаях не на систематиче-
ской основе и без полной программы обучения персонала.
Среди всех онкологических больных более 10% полностью из-
лечиваются от рака при использовании только одной лучевой те-
рапии. При некоторых локализациях и ограниченной распростра-
ненности опухолевого процесса облучение является особенно эф-
фективным методом лечения. Так, 5-летняя выживаемость боль-
ных раком шейки матки I стадии составляет 90%, II стадии — 88%,
и III стадии, когда опухоль вышла за пределы шейки матки, 70%.
При лечении рака гортани I—II стадии 5-летняя выживаемость со-
ставляет, по данным разных авторов, 75—90%. При лечении лим-
фогранулематоза на стадиях I—ПА 5-летняя выживаемость дохо-
дит до 85—100%.
Вместе с тем только одна лучевая терапия опухолей многих
других локализаций менее эффективна. Излечение большей части
больных достигается хирургическими, лекарственными (химиоте-
рапевтическими) и комбинированными методами, причем в зна-
чительной части случаев включающими лучевую терапию.
Попытки улучшить результативность лучевых методов лечения
простым увеличением подводимых доз наталкиваются на резкое
возрастание частоты и тяжести лучевых осложнений со стороны
нормальных тканей. Преодолением этих препятствий и занимает-
ся радиобиология, точнее, ее специальное направление — клини-
ческая радиобиология, — путем углубленного изучения процес-
сов, происходящих в тканях в условиях фракционированного воз-
действия, а также факторов, определяющих радиочувствитель-
ность опухолей и нормальных тканей у индивидуальных больных.
Практический выход эти исследования находят в новых методах
повышения эффективности лучевой терапии — за счет использо-
вания радиомодификаторов и новых режимов фракционирования
дозы.
426
21.1. Факторы, влияющие на радиорезистентность
опухолей
Эффективность лучевой терапии определяется многими обсто-
ятельствами, часть из которых приходится принимать как дан-
ность, а для противодействия некоторым из них разрабатываются
специальные методы.
К числу неблагоприятных факторов относится большой раз-
мер первичного очага и зон регионарного распространения опухо-
ли, что обязывает проводить облучение значительных объемов
нормальных тканей, при котором возрастает вероятность тяжелых
осложнений.
Большое влияние на эффективность лучевой терапии оказыва-
ет исходная радиорезистентность опухолевых клеток, которая зна-
чительно варьирует как среди опухолей различного происхожде-
ния, так и среди новообразований одной и той же локализации и
гистогенеза у индивидуальных больных.
21.1.1. ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ИСХОДНОЙ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК
Общеизвестен факт значительных отличий в радиочувстви-
тельности опухолей различной локализации и гистологического
строения. К числу радиочувствительных новообразований приня-
то относить лимфомы, миеломы, семиномы, опухоли головы и
шеи; к опухолям с промежуточной радиочувствительностью —
опухоли молочной железы, немелкоклеточный рак легкого, рак
мочевого пузыря; к наиболее радиорезистентным — опухоли ней-
рогенного происхождения, остеосаркомы, фибросаркомы, рак
почки. В общем плане низкодифференцированные опухоли более
радиочувствительны, чем высокодифференцированные.
Клеточные линии, полученные из разных новообразований,
демонстрируют значительную вариабельность в радиочувстви-
тельности при облучении в стандартных условиях. В качестве при-
мера широты изменения радиочувствительности приведем дан-
ные Дж. Чепмена (рис. 21.1). Среди имевшихся в его распоряже-
нии 8 линий клеток опухолей человека наиболее радиочувстви-
тельными оказались глиобластома и меланома, у которых после
облучения в дозе 2 Гр фракции выживших клеток (SF2rp, см. гл. 7 и
8) были равны соответственно 0,01 и 0,03 (1 и 3%). Промежуточное
место заняли клетки нейробластомы, рака яичников и молочной
железы, а наиболее радиорезистентными оказались клетки рака
427
Доза излучения, Гр
Рис. 21.1. Кривые выживаемости клеток нескольких линий, полученных из
различных опухолей человека и изученных в строго одинаковых условиях
(по Дж. Чепмену, 2003):
1 — глиобластома, линия Mo59J\ 2—меланома, линия НТ 144, 3 и 4— нейробластомы,
линии НХ132 и НХ142', 5 — рак яичников, линия А2780', 6 — рак молочной железы, ли-
ния MCF7', 7—рак яичников, линия OVCAR10', 8— рак кишечника, линия НТ-29
толстого кишечника линии НТ-29, у которых SF2rp равнялась 0,73.
Хотя такое распределение клеток по радиочувствительности во
многом не соответствует представлениям о радиочувствительно-
сти опухолей, этот рисунок наглядно демонстрирует большой раз-
мах варьирования исходной, ничем не модифицированной радио-
чувствительности опухолей, с которыми приходится встречаться
лучевому терапевту. Имеются данные о широчайшей вариабель-
ности радиочувствительности клеточных линий, полученных из
опухолей одного и того же гистологического строения. Например,
среди 18 изученных линий клеток меланомы человека выживае-
мость после облучения в дозе 2 Гр варьировала от 20 до 88%. Не-
удивительно, что конкретная линия клеток меланомы, с которой
работал Дж. Чепмен, вполне могла оказаться более радиочувстви-
тельной, чем линии клеток из «радиочувствительных» опухолей,
что подчеркивает только ориентировочный характер такого деле-
428
ния. Причины столь широкой вариабельности «тканевой» и «ин-
дивидуальной» чувствительности клеток к облучению остаются
неясными.
Ранее, в гл. 8, вкратце сообщалось об определенной корреля-
ции между радиочувствительностью опухолевых клеток и резуль-
тативностью лучевого лечения. О связи этих показателей свиде-
тельствуют примеры наблюдения за индивидуальными больными.
С. Вест и соавторы определили величины SF2rp для клеток, полу-
ченных из биопсийного материала 128 больных раком шейки мат-
ки, а по прошествии 5 лет сопоставили их с выживаемостью. С уче-
том большой вариабельности значений SF2rp опухоли были под-
разделены всего на 2 группы — с высокой и низкой радиочувстви-
тельностью. Среди лиц, опухолевые клетки которых имели низкие
SF2rp, т. е. более радиочувствительные опухоли, выживаемость со-
ставила 70%, в другой группе выжило менее 50% больных. Анало-
гичное сравнение для больных, имевших опухоли головы и шеи,
провели Т. Бьерк-Эрикссон и соавторы. В группе из 45 больных с
меньшей величиной SF2rp 5-летняя выживаемость превысила 90%,
а в группе из 39 больных с более высокой исходной радиорези-
стентностью клеток выживаемость была ниже 70%.
21.1.2. РОЛЬ ОПУХОЛЕВОЙ ГИПОКСИИ
При рассмотрении кислородного эффекта в гл. 9 отмечались
значительное увеличение радиорезистентности клеток при их пе-
реходе в гипоксическое состояние, а также тот факт, что развитие
гипоксии является логическим следствием неуправляемого роста
злокачественных опухолей. Клетки опухоли растут быстрее пи-
тающей их сосудистой сети, а сама она по сравнению с сосудистой
сетью нормальных тканей физиологически неполноценна. Плот-
ность капиллярной сети неравномерна по объему новообразова-
ния; имеется множество шунтов, по которым кровь перетекает
прямо из артериального в венозное русло, вновь образованные ар-
териолы лишены мышечной стенки. Деление клеток, располо-
женных около сосудов, раздвигает капилляры, и на расстоянии
150—200 мкм от них возникают зоны хронической гипоксии. Ки-
слород не доходит до этих зон, так как по пути активно поглощает-
ся в процессе метаболизма.
Неуправляемое деление клеток, кроме того, чисто механиче-
ски приводит к периодическому повышению внутриопухолевого
давления, из-за которого происходит временное сдавливание от-
429
Парциальное напряжение кислорода, мм рт. ст.
б
Рис. 21.2. Гистограмма распределения величин рО2 в ткани нормальных
молочных желез, по данным для 16 индивидуумов (а), и в опухолях
молочных желез стадии Ti_2, по данным для 12 больных (б)
(по П. Ваупелю и М. Хёкель, 1999)
дельных капилляров и прекращение кровотока. Длительность
полного прекращения микроциркуляции в определенном опухо-
левом объеме изменяется десятками минут, и в это время рО2 мо-
жет падать практически до нулевых значений. В этом случае речь
идет о состоянии острой гипоксии. Последняя ведет к гибели час-
ти опухолевых клеток, сопровождающейся возникновением зон
асептического некроза, видимых на гистологических препаратах
опухолей. В итоге в опухоли наблюдается весь спектр оксигенации
клеток — от нормально оксигенированных до аноксических.
430
Рис. 21.2 дает представление о распределении участков с раз-
личной величиной рО2 в ткани нормальной молочной железы и ее
новообразованиях, находящихся на самой ранней стадии роста (Т]
и Т2). Напряжение кислорода определяли микроэлектродами, из-
мерения в каждом случае проводили примерно в 50 точках изучае-
мой ткани. В здоровых тканях медиана рО2 равна 65 мм рт. ст., в
опухолях — 28 мм рт.ст. В здоровых тканях не было участков с рО2
ниже 12,5 мм рт. ст., т.е. гипоксическая защита клеток с самым
низким рО2 не превышала ФИД = 1,25. В опухолях 40% измерений
дали значения в диапазоне от 2,5 мм рт. ст. до 0. Как было показано
на рис. 9.3, при таких уровнях оксигенации ФИД гипоксической
защиты имеет величину от 2,75 (при рО2 2,5 мм рт. ст.) до 3—3,5.
Аналогичные различия по оксигенации нормальных и опухо-
левых тканей демонстрирует рис. 21.3, на котором по оси абсцисс
отложено значение медианы рО2 в изучаемой ткани, а по оси орди-
нат — кумулятивный (нарастающий) процент лиц с такими вели-
чинами рО2. Медианы рО2 нормальных тканей в основном находи-
лись в диапазоне от 35 до 60 мм рт. ст., так что гипоксические зоны
в этих тканях отсутствуют. Напротив, у 40% больных с саркомами
мягких тканей и у 60% больных раком головы и шеи медиана пар-
циального давления кислорода находилась ниже 20 мм рт. ст., т.е. в
зоне, где гипоксия приводит к росту радиорезистентности.
Медиана парциального
напряжения кислорода, мм рт. ст.
Рис. 21.3. Кумулятивная кривая значений медианы рО2 в нормальных тка-
нях (▲ — 19 чел.); опухолях головы и шеи (О — 74 чел.), саркомах мягких
тканей (• — 31 чел.) и доброкачественных новообразованиях (0 — 9 чел.)
(по М. Нордсмарк и Й. Овергорду, 1999)
431
Рис. 21.4. Кривые выживаемости in vitro клеток ELD при облучении в аэри-
рованной суспензии клеток, выделенных из опухоли (7), и облучении в со-
ставе опухоли у животных в нормальных условиях (2) или животных, под-
вергнутых за 5 мин до облучения опухоли асфиксии (5)
Примером влияния опухолевой гипоксии на радиочувстви-
тельность могут служить результаты опытов по сравнительной
оценке клоногенной способности клеток, облученных in vitro и in
situ, в составе опухоли. Такие опыты можно проводить на клетках,
адаптированных к росту как in vitro, так и in vivo, что достигается
путем многократной прививки клеток из культуры животным, где
они образуют опухоли, и последующего перевода клеток обратно,
из опухоли в культуру. После этого посев in vitro клеток, выделен-
ных с помощью трипсинизации прямо из опухоли, позволяет лег-
ко определять их клоногенную способность.
На рис. 21.4 приведены кривые выживаемости клеток солид-
ного рака Эрлиха мышей после облучения: 1) in vitro в аэрирован-
ной суспензии; 2) в составе опухоли у мышей в обычных условиях;
3) в составе опухоли через несколько минут после забоя животных,
когда все клетки метаболически потребили имеющийся кислород
и перешли в состояние полной аноксии. Доза, снижающая выжи-
ваемость до 1% от исходной, при облучении клеток in vitro равна
432
1001 $
80 * i
60
40 -
20 /
-------.--------.-----.
10 12 14 16 18
Уровень гемоглобина в крови, г/л
Рис. 21.5. Зависимость 5-летней выживаемости больных опухолями головы
и шеи от уровня гемоглобина в крови до начала курса лучевой терапии
(по М. Хенке и др., 1999):
представлена актуариальная кривая дожития 799 больных
7 Гр, а при облучении аноксических опухолей — 24 Гр, т. е. больше
чем в 3 раза. При облучении опухолей у живых животных анало-
гичное снижение выживаемости наступило при дозе 19 Гр.
«Усредненная» радиорезистентность опухолевых клеток, облу-
ченных у животных, дышащих воздухом, была ниже, чем в полно-
стью аноксических новообразованиях, однако она была в 2,7 раза
выше (19 Гр : 7 Гр = 2,7), чем у тех же клеток в состоянии полной
оксигенации. Столь велико может быть радиомодифицирующее
значение опухолевой гипоксии, правда, при однократном воздей-
ствии в большой дозе.
В качестве примера приведем данные о связи эффективности
излечения опухолей головы и шеи с уровнем гемоглобина крови
перед началом курса лучевого лечения. Уровень гемоглобина пря-
мо связан с транспортом кислорода кровью. Как показывает
рис. 21.5, 5-летняя выживаемость больных значительно выше при
более высоком уровне гемоглобина.
В ряде исследований показана корреляция эффективности ле-
чения опухолей шейки матки с плотностью сосудистой сети, оце-
ненной на биопсийном материале, также взятом до начала лече-
ния.
Неудивительно, что разработка методов преодоления радиоре-
зистентности, обусловленной переходом опухолевых клеток в ги-
поксическое состояние, стала одной из важнейших задач клиниче-
ской радиобиологии.
433
21.2. Методы управления тканевой
радиочувствительностью при лучевой терапии
Под управлением тканевой радиочувствительностью1 мы по-
нимаем обеспечение возможности ее произвольного направлен-
ного изменения с помощью модифицирующих агентов. Особен-
ностью управления радиочувствительностью в условиях лучевой
терапии является необходимость обеспечения избирательности
воздействия, при котором сенсибилизация опухолей была бы се-
лективной, или, по меньшей мере, преимущественной, т. е. боль-
шей, чем сенсибилизация здоровых тканей, а протекторы преиму-
щественно защищали бы клетки нормальных тканей.
Принципиальная возможность управления радиочувствитель-
ностью с помощью направленного радиомодифицирующего воз-
действия основана на различиях в кровоснабжении и кислород-
ном режиме, метаболизме, а также клеточно-кинетических пара-
метрах опухолей и нормальных тканей.
21.2.1. СЕНСИБИЛИЗАЦИЯ ГИПОКСИЧЕСКИХ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК
Самым прямым методом оксигенации гипоксических опухо-
левых клеток является использование для дыхания чистого кисло-
рода. В начале 50-х годов английские радиобиологи Л. Грей, име-
нем которого названа единица поглощенной дозы, и О. Скотт раз-
работали метод оксибарорадиотерапии — на время сеансов луче-
вой терапии больного помещали в барокамеру, в которой кислород
находился под давлением в три атмосферы. При таком давлении
кислородом насыщается не только гемоглобин, но и существенно
увеличивается парциальное напряжение кислорода, растворенно-
го в плазме крови. При этом было необоснованно предположено,
что дополнительное повышение концентрации кислорода не ска-
жется на реакции хорошо оксигенированных нормальных тканей,
радиочувствительность которых уже при дыхании воздухом мак-
симальна, в то время как плохо оксигенированные участки опухо-
ли в этих условиях станут более радиочувствительными.
Практическое применение оксибарорадиотерапии подтверди-
ло возможность усиления регрессии некоторых опухолей. По дан -
1 Термин «управление радиочувствительностью» введен нами в 1975 г. [Ярмо-
ненко С.П.//Вопросы онкологии. 1975. Т. 21. № 5].
434
ным С.Л. Дарьяловой, имеющей самый большой опыт оксибаро-
радиотерапии в нашей стране, метод был наиболее эффективен
при недифференцированных формах опухолей различных локали-
заций, но особенно опухолей головы и шеи. В недифференциро-
ванных опухолях существует наибольший дисбаланс между рос-
том паренхимы и стромы, что приводит к неадекватному крово-
снабжению и нарастанию опухолевой гипоксии.
Нельзя, однако, не отметить, что успехи оксибарорадиотера-
пии оказались скромнее, чем того ожидали. Сейчас понятно, что в
значительной степени это было связано с технической невозмож-
ностью использовать обычное фракционирование, так как дли-
тельность сеанса в условиях использования барокамеры диктовала
необходимость ограничения их числа, т. е. применения больших
фракций, что неблагоприятно сказывается на тяжести отдаленной
лучевой патологии. Кроме того, оказалось, что некоторые ткани
человека, в частности кожа, слюнные железы и хрящ, в нормаль-
ных условиях также содержат гипоксические клетки, радиочувст-
вительность которых в условиях гипербарической оксигенации
возрастала, что потребовало снижения курсовых доз. Оказалось
также, что даже при повышенном давлении кислород не доходит
до некоторых клеток, вероятнее всего, клеток, гипоксия которых
вызвана временным прерыванием кровотока. Вместе с тем ис-
пользование гипербарической оксигенации позволило улучшить
результаты лечения нескольких видов опухолей, в первую очередь
карциномы шейки матки и новообразований головы и шеи.
В настоящее время активно используется другой метод оксиге-
нации — дыхание карбогеном, смесью кислорода с 3—5% углеки-
слого газа, усиливающего легочную вентиляцию за счет стимули-
рования дыхательного центра. Улучшению оксигенации опухоле-
вых клеток при этом способствует назначение больным никотина-
мида — препарата, расширяющего кровеносные сосуды.
Большое внимание уделяется разработке химических соедине-
ний, обладающих электронакцепторными свойствами, имеющих,
как и кислород, высокое сродство к электрону и потому выпол-
няющих его функции «фиксации» лучевых поражений ДНК. При
этом в отличие от кислорода электронакцепторные сенсибилиза-
торы (ЭАС) не используются клеткой в процессе энергетического
метаболизма и потому диффундируют на значительное расстояние
от капилляров. Первые данные о радиомодифицирующем дейст-
вии таких соединений были получены для метронидазола и мизо-
нидазола. Как видно из рис. 21.6, препарат, не влияя на действие
ионизирующего излучения в воздухе (кривые 3 и 4 совпадают),
435
Доза излучения, Гр
Рис. 21.6. Выживаемость клеток китайского хомячка, облученных
на воздухе и в аноксии в присутствии метронидазола и без него
(по Дж. Чепмену, 1979)
1 и 2 —облучение на воздухе в присутствии метронидазола и без него; 5—облучение
в аноксии в присутствии метронидазола; 4 — облучение в аноксии в отсутствие метро-
нидазола
резко снижает выживаемость клеток, облученных в атмосфере
азота: на уровне 1%-й выживаемости ФИД азота по отношению к
облучению на воздухе в обычных условиях составляет 2,7, а при
введении в среду метронидазола снижается до 1,75.
К настоящему времени проведены клинические испытания
ряда ЭАС с пониженной (по сравнению с первыми препарата-
ми — метро- и мизонидазолом) токсичностью; к их числу относят-
ся японский препарат АК-2127, датский ниморазол и американ-
ский этанидазол.
АК-2721 оказался эффективен при лечении рака шейки матки;
использование ниморазола повышает эффективность лучевой те-
рапии опухолей головы и шеи.
Вместе с тем многие препараты, дававшие в эксперименте вы-
сокую сенсибилизацию гипоксических клеток, в клинике оказа-
лись неэффективными.
Радиобиологические исследования помогли установить при-
чины столь значительного снижения эффективности при переходе
436
от эксперимента к клинике. Экспериментальные исследования с
облучением опухолей животных обычно проводят в условиях од-
нократного облучения или, в лучшем случае, крупнофракциони-
рованного. В клинике при полном курсе лучевой терапии обычно
применяют мелкие фракции. Однако с увеличением числа фрак-
ций возрастает токсичность препарата, вследствие чего приходит-
ся снижать его дозу, что уменьшает сенсибилизирующий эффект.
Кроме того, сенсибилизирующее действие и кислорода, и ЭАС
снижается в области доз порядка 2 Гр (см. гл. 9), используемых при
стандартной лучевой терапии.
Таким образом, при переходе от крупнофракционированного
облучения в эксперименте к мелкофракционированному в клини-
ке эффективность ЭАС понижается, при этом требуется приме-
нять большее количество препарата (со всеми или хотя бы с боль-
шей частью фракций), что сделать невозможно из-за их высокой
нейротоксичности.
Разработки новых ЭАС продолжаются и в настоящее время, но
гораздо менее интенсивно, чем это было в 70-е и 80-е годы.
21.2.2. ГИПЕРТЕРМИЯ
Под гипертермией в радиационной онкологии понимают крат-
ковременный, в пределах одного часа, локальный нагрев отдель-
ных участков тела (локальная гипертермия) или нагрев всего тела,
за исключением головного мозга (общая гипертермия), до темпера-
туры 40—43,5°С. Такой нагрев сам по себе приводит к гибели неко-
торой части клеток, которая увеличивается в условиях понижен-
ного pH, характерного для гипоксических зон злокачественных
новообразований. Поэтому гипертермическое воздействие само
по себе применяют для лечения лишь отдельных злокачественных
и особенно доброкачественных новообразований, главным обра-
зом, аденомы простаты. В основном же гипертермию используют
в сочетании с лучевой терапией (тогда говорят о терморадиотера-
пии) и химиотерапией (термохимиотерапия). При сочетании с лу-
чевой терапией, которое и будет рассмотрено в данном разделе,
повышение эффективности лечения онкологических больных оп-
ределяется как аддитивным действием гипертермии и ионизирую-
щей радиации, так и их синергизмом.
437
21.2.2.1. ЛОКАЛЬНАЯ ГИПЕРТЕРМИЯ
Лучевую терапию применяют непосредственно до или после
сеанса локальной гипертермии. Прогревание производят электро-
магнитными излучениями разной длины волны, обеспечивающи-
ми разную глубину прогрева тела, или ультразвуком. В экспери-
ментах на мелких лабораторных животных — мышах и крысах —
используют водяную баню, куда погружают конечности животных
с привитыми опухолями. В опытах на крупных животных — соба-
ках — применяют обычное клиническое оборудование.
В клиниках стран СНГ наиболее часто используют аппаратуру
для электромагнитного нагрева (в том числе для внутриполостной
гипертермии), в которой энергия подается к опухоли с помощью
антенн направленного действия.
Рассмотрим вначале действие гипертермии in vitro. Известно,
что повышение температуры на 1—3°С, до 38—41 °C, не сказывает-
ся на жизнеспособности клеток человека даже при длительной ин-
кубации. Гибель клеток начинается после часового пребывания их
при 41,5°С. В интервале от 41,5 до 43,5°С гибель клеток значитель-
но увеличивается при каждом повышении температуры на 0,5°С,
причем чем выше температура, тем более выражен эффект такого
повышения (рис. 21.7). Влияние длительности сеанса гипертер-
мии значительно усиливается при большей температуре. Таким
образом, поражение клеток зависит от «тепловой дозы», величина
которой возрастает с увеличением температуры и длительности ее
воздействия.
Аналогичная зависимость наблюдается и для нормальных тка-
ней. По данным О.К. Курпешева и А.Г. Коноплянникова, некро-
тизация кожи хвоста наступает у 50% мышей после нагрева участка
хвоста в течение 125 мин при температуре 42°С, через 64 мин —
при 43°С и через 32 мин — при 44°С. Повышение температуры на
1°С вдвое сокращает время гипертермического воздействия, тре-
буемого для одной и той же степени поражения.
Принципиальных различий в термочувствительности опухоле-
вых и нормальных клеток одного и того же происхождения не на-
блюдается. Известными примерами большей чувствительности
являются лейкозные клетки, если в качестве их аналога взяты
клетки костного мозга.
Спектр вариаций термочувствительности нормальных тканей
значителен, но не столь велик, как при действии радиации. К чис-
лу терморезистентных относятся кровеносные сосуды. Термочув-
ствительными являются почки и печень, а также семенники.
438
1
Продолжительность нагревания, мин
Рис. 21.7. Выживаемость клеток китайского хомячка линии СНО
при разной длительности нагревания в различных температурных диапазонах
(по В. Дюи и др., 1977)
Кожа, мышцы, ткань, хрящ, тонкий и толстый кишечник относят-
ся к числу тканей с промежуточной термочувствительностью.
Ранее уже говорилось о недостаточной и неполноценной в фи-
зиологическом плане системе опухолевого кровоснабжения. Из-
витые, во многих случаях лишенные мышечной стенки, сосуды
опухоли, в отличие от сосудов нормальных тканей при повышении
температуры не расширяются и не способствуют увеличению от-
тока подводимой к ткани энергии, в связи с чем температура ново-
образования повышается в большей степени, чем температура
нормальной ткани. Эти различия наглядно представлены на рис.
21.8, а и б. Диссипация тепла самым существенным образом опре-
деляет температуру: для нагрева тканеэквивалентного фантома
требуется гораздо меньше энергии, чем для нагрева аналогичного
объема нормальной ткани. Имеются данные о снижении скорости
опухолевого кровотока в процессе нагрева. Из-за различий в дис-
сипации подведенной электромагнитной энергии температура в
центре опухоли может на 1—1,5°С превышать температуру нор-
мальных тканей, также находящихся в зоне прогрева.
Радиомодифицирующее действие гипертермии связывают с
нарушением репарации лучевых повреждений ДНК. Его эффект
439
До гипертермии
Нормальная
ткань
Во время сеанса
гипертермии
Нормальная
ткань
Опухоль
Опухоль
Рис. 21.8. Схема, иллюстрирующая различие в реакции на нагревание сосу-
дистой сети нормальных тканей и опухолей
для опухолей примерно одинаков при их нагреве как до, так и по-
сле сеанса облучения (рис. 21.9). Максимум радиомодификации
наблюдается при облучении на фоне повышенной температу-
ры — в приведенном примере ФИД гипертермии достигает 2,3 как
для опухоли, так и для кожи. Чем дальше отстоит сеанс гипертер-
мии от облучения (как до, так и после него), тем ниже ФИД, одна-
ко и при 24-часовом интервале в ту и другую сторону поражение
опухоли все еще остается повышенным с ФИД 1,5. Модифици-
рующее действие гипертермии после облучения снижается быст-
рее, чем поражение опухоли, и при интервале между воздействия-
ми свыше 4 ч ФИД уменьшается до 1.
На практике проводить облучение во время сеанса гипертер-
мии технически сложно. Обычно сеансы гипертермии проводят до
или после облучения, причем следует иметь в виду, что гипертер-
мия длится около часа, в то время как облучение занимает не-
сколько минут. Приведенные на рис. 21.9 данные указывают на
различную динамику спада радиомодифицирующего действия ги-
пертермии для опухоли и нормальной ткани после облучения, что
как бы увеличивает «терапевтический интервал» гипертермии. Что
касается облучения во время гипертермического сеанса, то из при-
веденного графика следует, что именно в этом случае происходит
совпадение ФИД для двух кривых. Однако график построен для
случая одинаковой температуры опухоли и кожи — такова была
цель данного эксперимента, — в то время как в клинических усло-
виях нагрев ведется таким образом, чтобы обеспечить в опухоли
более высокую температуру, чем в нормальных тканях.
440
Рис. 21.9. Влияние времени между сеансом гипертермии (нагрев до 42,5°С
в течение 1 ч) и облучением на радиомодифицирующий эффект гипертер-
мии, оцениваемый по регрессии опухоли и реакциям нормальных тканей
(по Й. Овергорду, 1982):
по оси абсцисс слева — время между сеансом гипертермии и облучением, справа — ме-
жду облучением и последующим сеансом гипертермии; по осям ординат — ФИД гипер-
термии
Особенностью гипертермического воздействия является на-
ступающее вслед за ним повышение устойчивости ткани к повтор-
ному нагреву. Это явление носит название индуцированной тер-
мотолерантности. Термотолерантность ткани непрерывно увели-
чивается в течение 1—2 сут после прогрева, затем спадает, сначала
более быстро, затем все медленнее и медленнее. Полная элимина-
ция повышенной термотолерантности занимает 1—2 мес. На мак-
симуме развития возрастание термотолерантности эквивалентно
необходимости повышения тканевой температуры на 1—2°С для
получения прежнего эффекта. В этом отношении воздействие по-
вышенной температуры отличается от воздействия радиации —
после облучения репарация сублетальных поражений приводит к
восстановлению исходной радиорезистентности, а развитие термо-
толерантности — к ее возрастанию над исходным уровнем. Увели-
чение термотолерантности пропорционально температуре нагре-
ва, однако только в диапазоне обратимо повреждающих воздейст-
вий.
441
Рис 21.10. Зависимость гибели клеток китайского хомячка от pH среды при
инкубации при 42°С (по Л. Гервику, 1977)
Причиной рассматриваемого феномена развития термотоле-
рантности является синтез в клетке так называемых белков тепло-
вого шока. Эти белки всегда имеются в клетках, участвуя в их за-
щите от различных неблагоприятных воздействий, но впервые
были обнаружены в гипертермических экспериментах и потому
получили такое название. В частности, эти белки участвуют и в ра-
диационном восстановлении клеток, так что развитие термотоле-
рантности приводит к уменьшению радиомодифицирующего эф-
фекта гипертермии, что было показано Р. Бардоном в 1985 г.
Обычно принимается, что термотолерантность возрастает в опухо-
лях и нормальных тканях примерно одинаково. Эффект развития
термотолерантности всегда учитывают при планировании курса
терморадиотерапии, и сеансы гипертермии проводят не ежеднев-
но, а 2—3 раза в неделю. Чаще используется прогрев опухоли не до,
а после сеанса облучения.
Термочувствительность клеток значительно увеличивается
при pH ниже 7,0 — величины, свойственной нормальным тканям.
Это было наглядно проиллюстрировано Л. Гервиком (1977), изу-
чившим выживаемость клеток китайского хомячка после прогрева
при разных значениях pH (рис. 21.10). Между тем низкие pH ха-
рактерны для злокачественных новообразований, так как являют-
ся следствием развития опухолевой гипоксии, заставляющей клет-
ки переходить на гликолитический путь получения энергии, со-
провождающийся их закислением вследствие образования молоч-
ной кислоты. Кроме того, еще Варбургом при изучении биохимии
опухолей был открыт аэробный гликолиз — использование клет-
442
ками гликолитического, малоэффективного пути выработки АТФ
в условиях хорошей оксигенации in vitro. Все это благоприятствует
преимущественному повреждающему действию гипертермии на
опухоли.
Зависимость эффекта гипертермии от pH создает реальную
возможность дальнейшего избирательного увеличения термочув-
ствительности опухолей с помощью искусственной гиперглике-
мии. В обычных условиях потенциальная способность опухолей к
гликолизу удовлетворяется не более чем на 10%, и поэтому опухо-
ли отличаются более низким, чем нормальные ткани, содержани-
ем глюкозы. При искусственном введении большого количества
глюкозы в организм опухоль, используя свои резервные возмож-
ности, т. е. действуя, по выражению В.С. Шапота, как «ловушка»
глюкозы, жадно потребляет ее, метаболизируя до молочной ки-
слоты. Кроме того, в условиях гипергликемии происходит допол-
нительное ухудшение опухолевой микроциркуляции, что способ-
ствует удержанию в ней молочной кислоты и снижению pH до 6 и
даже 5,5.
Еще ранние работы М. фон Арденне, воспроизведенные Н.Н.
Александровым с сотрудниками, показали, что в условиях дли-
тельной (до суток и более) гипергликемии, когда содержание саха-
ра в крови увеличивается в 3—4 раза выше нормы, происходит зна-
чительное снижение pH и усиление противоопухолевого действия
гипертермии.
Весьма важные результаты были получены в нашей лаборато-
рии при использовании кратковременной (1—2 ч) гипергликемии
тотчас после облучения. При этом полагали, что вследствие вызы-
ваемого гипергликемией нарушения микроциркуляции будет уси-
ливаться гипоксия и еще больше снижаться pH, что должно при-
водить к ингибированию пострадиационного восстановления
опухолевых клеток.
Результаты соответствующих экспериментов на мышах с кар-
циномой Эрлиха и крысах с саркомой-45 подтвердили такую воз-
можность. При создании кратковременной (2 ч) гипергликемии
(20—25 мМ глюкозы) до и особенно после облучения удается су-
щественно повысить эффективность излечения животных.
Были изучены механизмы цитотоксического действия глюкоз-
ной нагрузки и условия, способствующие ее максимальному про-
явлению в сочетании с облучением.
Как показали В.В. Мещерикова и Е.А. Волошина, в основе
обусловленного гипергликемией усиления противоопухолевого
эффекта лежит резкое снижение жизнеспособности облученных
443
клеток, проявляющееся в виде массовой гибели в гипоксических
зонах опухоли, наступающей уже в первые часы после воздейст-
вия. Эти данные нашли объяснение в модельных экспериментах
Н.Л. Шмаковой и соавторов, изучавших зависимость усиления
радиационного поражения клеток асцитного рака Эрлиха (при их
инкубации с глюкозой) от степени оксигенации. Показано, что
как цитотоксическое, так и радиомодифицирующее действие глю-
козной нагрузки наиболее сильно выражено в аноксии (ФИД дос-
тигает 3,5 и более). Установлено, что решающая роль в летальном
действии глюкозной нагрузки на опухолевые клетки принадлежит
снижению внутриклеточного pH, которое в гипоксических усло-
виях происходит значительно интенсивнее, чем в условиях хоро-
шей оксигенации. В опытах на перевивных опухолях мышей, под-
вергнутых локальной гипертермии на фоне пострадиационной ги-
пергликемии, С. В. Козину с соавторами (1984) удалось в 3-4 раза
снизить дозы излучения, необходимые для получения аналогич-
ного эффекта при самостоятельном облучении. Данные о массо-
вой дегенерации опухолевой ткани, происходящей в условиях ги-
пергликемии прежде всего в плохо снабжаемых кровью, а следова-
тельно, гипоксических зонах опухолей животных и человека, по-
лучены в морфологических исследованиях Ю.П. Истомина и
В.А. Фурманчука.
21.2.2.2. ОБЩАЯ ГИПЕРТЕРМИЯ
Существенное ограничение локальной гипертермии определя-
ется уже ее названием, подчеркивающим отсутствие возможности
ее применения при диссеминированных формах новообразова-
ний, требующих воздействия на отдаленные метастазы. Опреде-
ленную перспективу в этом отношении представляет общая ги-
пертермия, ограничения которой, в свою очередь, состоят в необ-
ходимости повышения переносимости организмом температур-
ного максимума выше 42°С. До самого последнего времени
преодоление этого барьера было невозможным, и поэтому общая
гипертермия при температуре 41°С применялась с меньшим успе-
хом при лечении ограниченного круга диссеминированных ново-
образований в сочетании с химиотерапией. В последние два года
во многих центрах мира усиленно разрабатывались способы ане-
стезии, позволяющие максимально повысить переносимость вы-
сокотемпературной гипертермии, учитывая вышеупомянутое рез-
кое усиление клеточной термочувствительности при температу-
рах, превышающих 42°С. Некоторыми центрами в 2000—2002 гг.
444
были опубликованы результаты анестезиологических исследова-
ний, в которых была достигнута вполне удовлетворительная пере-
носимость в течение часа общего нагрева организма до 42,8°С. На-
конец, в 2003 г. появилось сообщение новосибирских исследова-
телей, сообщивших о разработанном ими методе анестезии, позво-
ляющем поднять уровень толерантности организма к пребыванию
человека в условиях 43—43,5°С.
В момент написания данной главы проводятся независимые
исследования данного явления, при подтверждении которого
можно ожидать существенное расширение возможностей его ис-
пользования в онкологии.
21.2.3. ПРОТИВОЛУЧЕВАЯ ЗАЩИТА НОРМАЛЬНЫХ ТКАНЕЙ
21.2.3.1. ГИПОКСИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА
Альтернативой рассмотренным способам управления радио-
чувствительностью путем сенсибилизации опухолей является раз-
работка методов преимущественного повышения радиорезистент-
ности нормальных тканей с целью увеличения дозы облучения
опухолевого очага. Один из таких методов — создание тканевой
гипоксии или даже аноксии. Первые экспериментальные и кли-
нические исследования такого подхода, направленные на повы-
шение эффективности лечения опухолей конечностей — сарком
мягких тканей и костей, были сделаны с использованием турни-
кетной (жгутовой) гипоксии. Показано, что при наложении на ко-
нечность жгута рО2 в нормальных тканях быстро падает почти до
нуля и таким образом выравнивается с напряжением кислорода в
опухолях. Более того, оказалось, что в опухоли рО2 падает медлен-
нее, чем в нормальных тканях, так что защитное действие (ФИД)
турникета для опухоли составляло 1,5, а для кожи и костного моз-
га — 1,9—2,2. Это дало возможность вдвое повысить дозу облуче-
ния, что при меньшей защите опухоли способствовало улучшению
результатов лечения. Широкому клиническому применению это-
го метода препятствуют неутешительные отдаленные результаты,
так как опухоли, расположенные на конечностях (только эти опу-
холи можно облучать под жгутом), — саркомы костей или мягких
тканей — имеют плохой прогноз из-за частого и раннего метаста-
зирования.
Принципиальная возможность дифференцированного радио-
модифицирующего действия острой гипоксии на нормальные и
опухолевые ткани обусловила поиск способов использования это-
445
Рис. 21.11. Дозовые кривые 30-дневной гибели мышей при облучении на
воздухе (В) и в газовых смесях с содержанием кислорода от 5 до 10%.
ФИДы газовых смесей, определенные по соотношению ЛД5о/зО после облуче-
ния в гипоксии и на воздухе, равны:
для 10% О2 - 1,2; 8% О2 - 1,4; 6% О2 - 1,8 и 5% О2 - 2,3
го явления при лечении опухолей внутренних органов. Весьма ин-
тересны данные об использовании общей гипоксии, вызванной
кратковременным вдыханием обедненных кислородом газовых
смесей.
О радиозащитном действии общей газовой гипоксии известно
более 50 лет. Впервые оно было отмечено в опытах Ф. Дэвика
(1949), Г. Лимпероза и др. (1950), наблюдавших значительное по-
вышение выживаемости мышей и крыс, подвергнутых тотальному
облучению в среде с низким содержанием кислорода. Данные о
дифференцированном действии турникетной гипоксии при облу-
чении опухолей послужили предпосылкой к изучению возможно-
сти защиты нормальных тканей в условиях общей газовой гипок-
сии.
Проведенный в лаборатории авторов цикл исследований на
животных с опухолями дал вполне обнадеживающие результаты
применения экспериментальной гипоксирадиотерапии [Ярмо-
ненко С.П., Вайнсон А.А., 1973—1981].
Общий характер модификации радиочувствительности орга-
низма экзогенной гипоксией в виде кривых 30-суточной гибели
мышей при тотальном облучении на воздухе и в газовых смесях,
содержащих 10, 8, 6 и 5% кислорода, прослеживается на рис. 21.11.
446
a
Время после начала облучения, сут
б в
Рис. 21.12. Регрессия саркомы-37 мышей после трех фракций облучения
в разовых дозах 12,5 Гр (ц); 15,0 Гр (б) и 17,5 Гр (в).
/ — рост опухолей в контроле; 2—облучение в обычных условиях; 3 — облучение
у животных, дышащих газовой смесью, содержащей 6% кислорода
ФИД исследованных газовых смесей при облучении животных с
высокой мощностью дозы составляет соответственно — 1,2;
1,4—1,6; 1,8—2,0 и 2,5. ФИД смесей, содержащих 5—6% О2, для
клеток костного мозга составлял 1,8—2,0, для кожи — 1,4—1,5.
В то же время при локальном облучении нескольких штаммов
перевивных опухолей мышей в условиях общей газовой гипоксии,
вызванной смесями, содержащими 6% О2, защита опухолей по
ФИД не превышала 1,15, либо отсутствовала, а в части экспери-
ментов наблюдалось небольшое усиление регрессии опухолей.
Данные одного из таких экспериментов показали, что при локаль-
ном фракционированном рентгеновском облучении (мощность
дозы 10 Гр/мин) саркомы-37 у мышей, вдыхавших в течение
2—3 мин до и в процессе облучения газовую смесь, опухоли рег-
рессировали раньше, а рецидивы возникали позднее и с меньшей
частотой, чем при облучении на воздухе (рис. 21.12).
Механизм этого парадоксального явления — усиления лучево-
го поражения опухоли в условиях гипоксии — по сравнению с об-
лучением ее на воздухе, пока не определен. По мнению С.П. Ярмо-
ненко, гипоксические клетки опухолей, адаптированные к недос-
татку кислорода, слабее реагируют на модифицирующее действие
дополнительной острой гипоксии по сравнению с хорошо оксиге-
нированными нормальными тканями. В его лаборатории ослабле-
ние защитного действия острой гипоксии на самые разнообразные
447
биологические объекты (изолированные клетки, ткани, орга-
низм), адаптированные к условиям длительной кислородной не-
достаточности, показано в многочисленных работах В.Г. Оваки-
мова, Н.Л. Шмаковой, В.В. Мещериковой, А.Л. Выгодской,
Н.П. Винской, Е.А. Волошиной и Б.В. Иве.
Полученные данные объясняют преимущественноерадиозащит-
ное действие газовой гипоксии на нормальные хорошо оксигенирован-
ные ткани. В результате создаются условия, благоприятствующие
проявлению влияния ряда организменных факторов, опосредованно
способствующих дезактивации опухоли и даже ее усиленной регрес-
сии.
Феномен избирательной защиты нормальных тканей при об-
лучении опухолей в условиях газовой гипоксии, наблюдавшийся
также в работах Р.Б. Стрелкова, позволил разработать метод ги-
поксирадиотерапии опухолей человека, в настоящее время приме-
няемый в Российском онкологическом научном центре, а также за
рубежом. Опыт гипоксирадиотерапии больных с использованием
газовых смесей, содержащих 9—10% О2, и повышенных доз излу-
чения составляет около 2000 наблюдений. Более того, установле-
но, что около 70% онкологических больных в состоянии физиче-
ского покоя удовлетворительно переносят 15—20-минутное дыха-
ние смесью, содержащей всего 8% О2. Клинические испытания с
такой «жесткой» смесью, проведенные на Украине и в Чехии при
предоперационной гипоксирадиотерапии рака желудка и опухо-
лей толстого кишечника, свидетельствуют о значительном ослаб-
лении побочных реакций и улучшении отдаленных результатов
[Хворостенко М.И. и др., 1986; Тачев Т. и др., 2002].
21.2.3.2. ХИМИЧЕСКИЕ РАДИОПРОТЕКТОРЫ
Условием применения радиопротекторов при лучевой терапии
является избирательность их накопления в критических нормаль-
ных тканях или локальное создание в соответствующих органах
состояния гипоксии. Именно отсутствие такой избирательности
служит препятствием для широкого применения протекторов в
клинике. Вместе с тем в отдельных случаях удается найти путь к
избирательному воздействию препаратов, что позволяет улучшить
результаты лечения. Наибольшее количество работ в этом плане
проведено с 2,3-аминопропиламиноэтилтиофосфатом, извест-
ным в нашей стране как гаммафос, а в США — как WR-2721. Ин-
терес к этому соединению в плане использования в онкологии по-
явился после сообщения Дж. Юхаса и Д. Сторера о том, что этот
448
препарат, оказывая выраженный защитный эффект при общем
облучении мышей (ФИД по выживаемости ~ 2,6), почти не влияет
на лучевое поражение перевивной карциномы молочных желез
(ФИД =1,15). Позднее в экспериментах на животных с индуциро-
ванными уретаном опухолями легких было установлено, что вве-
дение WR-2721 непосредственно перед облучением не дает защи-
ты опухолевой ткани, повышая в 2-—3 раза радиорезистентность
кожи, костного мозга и кишечного эпителия. При введении пре-
парата за 90 мин до облучения наблюдалась существенная защита
опухоли. Это, по мнению Дж. Юхаса, показывало, что селективное
действие препарата связано с различной динамикой его поступле-
ния в клетки нормальных и опухолевых тканей.
Избирательная защита нормальных тканей с помощью гамма-
фоса была показана в нашей лаборатории А.Л. Выгодской при ло-
кальном облучении солидной карциномы Эрлиха мышей. При
внутрибрюшинном введении гаммафоса в дозе 1 ммоль/кг за
15 мин до облучения регрессия опухоли, как правило, не ослабля-
лась, а в некоторых опытах даже усиливалась, как это имело место
при гипоксирадиотерапии. Учитывая собственные данные о рас-
пределении Зз8-цистафоса (аналога гаммафоса),можно сказать, что
вполне возможно, что при таком небольшом интервале времени ме-
жду введением препарата и облучением гаммафос еще не успевает
накопиться в клетках опухоли в необходимой концентрации.
Данные такого рода послужили основанием для выпуска ле-
карственной формы препарата «этиофос», с которой проведено
большое число экспериментальных и клинических исследований
возможности снижения тяжести побочного действия лучевой и
химиотерапии. Результаты этих исследований показали, что этио-
фос, безусловно, оказывает защитное действие на нормальные
ткани, однако вопрос об отсутствии защиты опухоли остается от-
крытым. К практическому применению этого препарата пока от-
носятся осторожно. Однако возможность избирательной защиты
используется в условиях его локального применения. Показано,
что при лечении опухолей головы и шеи аппликация этиофоса на
слизистые значительно снижает их лучевые реакции.
21.2.4. РАДИОМОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ
ХИМИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ
При лечении многих онкологических заболеваний использует-
ся комплексная терапия, под которой понимают сочетанное при-
менение облучения и химиотерапевтических препаратов. Облуче-
449
ние используется для подавления роста основной опухоли, лекар-
ственная терапия — для борьбы с метастазами. Грамотное приме-
нение комплексной терапии нуждается в знании того, каким
является ответ опухоли и нормальных тканей на воздействие двух
агентов. Ответ может быть меньше, чем сумма эффектов от каждо-
го из них, равным ему или большим. В первом случае комбиниро-
ванное действие называют субаддитивным, во втором — аддитив-
ным или независимым, в последнем — синергизмом, супрааддитив-
ным или потенцированием. Для алкилирующих препаратов (BCNU,
CCNU), механизм действия которых близок к ионизирующей ра-
диации, характерным является аддитивный эффект. Препараты
платины (цисплатин, оксоплатин, карбоплатин), как и ионизи-
рующая радиация, индуцируют одиночные разрывы ДНК, взаи-
модействие которых приводит к образованию более значимых для
клетки двойных разрывов. Действие радиации с этими препара-
тами является супрааддитивным. Супрааддитивным является и
взаимодействие радиации с антиметаболитами — аналогами
предшественников ДНК, подавляющими ее синтез и репарацию
(5-фторурацилом, бром- и йодуридиндезоксирибозидами), и ок-
симочевиной, также подавляющей синтез и репарацию ДНК, но
уже посредством ингибирования синтеза нормальных предшест-
венников.
Важным примером супрааддитивного действия лекарственно-
го агента и облучения является противоопухолевый антибиотик
митомицин С. Цитотоксический эффект этого препарата увеличи-
вается по мере снижения рО2, так что он является хорошим средст-
вом борьбы с гипоксическими опухолевыми клетками. Супраад-
дитивность, таким образом, обеспечивается удалением из опухоли
части особо радиорезистентных клеток.
21.3. Радиобиологические основы использования
в лучевой терапии тяжелых ядерных частиц
К тяжелым ядерным частицам, используемым для лечения
опухолей, относятся протоны, тяжелые ионы, отрицательные
л-мезоны и нейтроны разных энергий. Создаваемые на ускорите-
лях пучки тяжелых заряженных частиц имеют малое боковое рас-
сеяние, что дает возможность формировать дозные поля с четким
контуром по границам опухоли. Так как все частицы имеют одина-
ковую энергию и соответственно глубину проникновения в ткань,
450
Глубина пробега в оргстекле, мм
Рис. 21.13. Увеличение поглощенной дозы в конце пробега протонов
с энергией 100 МэВ
это позволяет меньше облучать нормальные ткани, находящиеся
по ходу пучка за пределами опухоли. Более того, у заряженных тя-
желых частиц линейные потери энергии увеличиваются в конце
пробега, так что создаваемая ими физическая доза не уменьшается
с глубиной ткани, как в случае редкоионизирующих излучений, а
возрастает. Увеличение поглощенной в тканях дозы излучения в
конце пробега носит название пика Брэгга (рис. 21.13).
Использование на пути частиц так называемых гребенчатых
фильтров, или плавное изменение во время облучения энергии
частиц, позволяет расширить пик Брэгга до размеров опухолевого
очага. На рис. 21.14 приведены результаты оценки глубинного рас-
пределения дозы, создаваемого разными видами радиации, при
облучении опухоли диаметром 4 см, располагающейся в теле на
глубине 8—12 см. Все кривые проведены так, что относительная
доза, равная единице, приходится на середину опухоли (10 см от
поверхности тела). При у- и нейтронном облучении доза на входе
пучка (т. е. в нормальных тканях) вдвое превышает дозу в центре
опухоли, причем облучение здоровых тканей идет и после прохож-
дения пучка через злокачественный очаг. Иная картина наблюда-
ется при использовании тяжелых заряженных частиц: ускоренные
протоны и ионы, в данном случае ионы углерода, а также отрица-
тельные л-мезоны, как видно из рисунка, основную дозу передают
именно опухоли, а не нормальным тканям (доза, поглощаемая в
опухоли, выше, чем доза, поглощаемая в нормальных тканях, рас-
положенных по ходу пучка как до, так и после новообразования).
451
Рис. 21.14. Пространственное распределение поглощенной дозы излучений
разных видов (по К. Тобайсу, 1971, с добавлениями):
применение специальных пластинчатых фильтров позволяет расширить пик Брэгга до
нужного размера, что сопровождается, однако, его снижением
Кроме того, при торможении тяжелых заряженных частиц воз-
растает их ЛПЭ, что приводит к дополнительному увеличению эф-
фективности в зоне пика Брэгга вследствие возрастания ОБЭ (см.
гл. 10).
Применение быстрых протонов основано только на их хоро-
шем дозном распределении по глубине тела, быстрых нейтро-
нов — только на высокой ЛПЭ, при которой уменьшается защит-
ное действие опухолевой гипоксии, а ускоренных тяжелых ионов и
л-мезонов — на хорошем пространственном распределении по-
глощенной дозы и высокой ЛПЭ.
Корпускулярную терапию ( облучение ускоренными протона-
ми, ионами гелия и углерода) в мире прошли более 20 000 человек.
Основным показанием для нее является расположение опухоли
вблизи от «критических» тканей, поражение которых наносит осо-
бенно большой ущерб здоровью: в глазном яблоке (хороидальная
меланома), рядом со спинным мозгом, в тканях головного мозга и
рядом с радиочувствительными органами малого таза. Пучки ио-
нов углерода, ускоренные до энергии 250 МэВ на нуклон и имею-
щие ЛПЭ в ткани около 100 кэВ/мкм, позволили улучшить резуль-
таты лечения такого распространенного вида новообразований,
как рак легких.
452
Использование быстрых нейтронов (14 МэВ) основано не на
создании хорошего лозного распределения между опухолью и нор-
мальными тканями, а на высокой ЛПЭ (100 кэВ/мкм). Благодаря
этому действие нейтронов характеризуется меньшей величиной
гипоксической защиты, а также сниженной эффективностью ре-
парации опухолевых клеток, особенно дифференцированных кле-
ток. Нейтроны оказались наиболее эффективными при лечении
нескольких видов медленно растущих опухолей, таких как рак
простаты, саркомы мягких тканей, рак слюнных желез.
В последние годы увеличивается интерес к нейтронзахватной
терапии, при которой используются тепловые и эпитепловые ней-
троны, имеющие энергию соответственно 0,025 эВ и 1 эВ —
10 кэВ. Эти нейтроны образуются в атомных реакторах и по от-
дельным каналам выводятся в расположенные с реакторами про-
цедурные помещения. Тепловые нейтроны избирательно захваты-
ваются атомами 10В и l57Gd. При захвате теплового нейтрона ато-
мом бора происходит его распад на атомы лития и а-частицы, про-
бег которых в ткани равен нескольким клеточным диаметрам.
Таким образом, зона интенсивного воздействия излучения с высо-
кой ЛПЭ ограничивается только клетками с высоким содержани-
ем бора. Гадолиний-157, доля которого в природном гадолинии
составляет 16 %, обладает особенно большим сечением захвата
нейтронов. При распаде ядра 157Gd вылетает у-квант и образуются
электроны Оже и электроны конверсии с длиной пробега в ткани
40—60 мкм. Электроны Оже имеют очень короткий пробег, чтобы
они вызвали поражение клетки, гадолиний должен находиться в
ней самой. Имеющиеся соединения гадолиния в клетку не прони-
кают, поэтому основной биологический эффект производят элек-
троны конверсии, образующиеся при распаде атомов гадолиния,
находящихся в межклеточном пространстве.
Для нейтронзахватной терапии необходимо обеспечить дос-
тавку °В или 157Gd непосредственно в опухоль, хотя бы и в межкле-
точное пространство. Избирательности между опухолью и нор-
мальными тканями удается пока достичь только в отдельных слу-
чаях. К таковым относится накопление 10В-фенилаланина в мела-
номах, которое происходит благодаря тому, что борфенилаланин
необходим для синтеза меланина. Этот же препарат, а также со-
единение, известное как l0BSH (КазВиНцБН^относительно изби-
рательно накапливается в опухолях головного мозга. Такая изби-
рательность обеспечивается тем обстоятельством, что опухоли в
отличие от нормальных тканей мозга не имеют так называемого
гематоэнцефалического барьера, препятствующего поступлению
453
ксенобиотиков (чуждых организму соединений) в ткани головно-
го мозга.
В настоящее время синтезируются новые виды носителей бора
и гадолиния, примером которых может служить отечественный
препарат дипентаст на основе гадолиния (препарат применяется и
при магнитно-резонансной томографии). Большие надежды воз-
лагаются на использование липосом для доставки этих препара-
тов. Успех будет обеспечен, если удастся достигнуть 3—4-кратного
превышения содержания бора или гадолиния в опухоли над окру-
жающими нормальными тканями.
Трудность в использовании метода нейтронзахватной терапии
состоит также в очень коротком пробеге тепловых нейтронов в
ткани: половина из них поглощается на первых 15 мм пути. Поэто-
му для облучения опухолей головного мозга приходится вскрывать
черепную коробку, следовательно, операционные комнаты долж-
ны располагаться непосредственно в здании реактора. Несколько
увеличить глубину облучения можно с помощью эпитепловых
нейтронов, которые не захватываются бором или гадолинием, но
после торможения в ткани в результате столкновения с ядрами во-
дорода превращаются в тепловые нейтроны, которые, в свою оче-
редь, и будут захватываться указанными элементами. С помощью
смешанных пучков эпитепловых и тепловых нейтронов можно по-
лучить довольно равномерное пространственное распределение
тепловых нейтронов на расстоянии до 3 см по ходу пучка.
Предполагается, что большое локальное энерговыделение, за-
трагивающее всего несколько клеток, может оказаться полезным в
различных областях медицины, в связи с чем метод нейтронзах-
ватной терапии развивается в США, Японии и странах Европы. В
России такие исследования проводятся на реакторах Московского
инженерно-физического института и Института атомной энергии
им. Курчатова.
21.4. Реакция опухоли и нормальных тканей
на облучение
К началу лучевой терапии опухоли содержат миллиарды кле-
ток, так как их объем при обращении человека к врачу уже измеря-
ется несколькими кубическими сантиметрами. Часть клеток нахо-
дится в пролиферативном пуле (так называемая фракция роста),
часть находится вне его (так называемые покоящиеся клетки).
Среди причин выхода клеток из пролиферативного пула называют
454
нехватку кислорода и питательных веществ, а также исходно свой-
ственное дифференцированным клеткам (составляющим в ряде
новообразований значительную долю популяции) пребывание в
периоде покоя (стадии Go).
Разные виды опухолей значительно различаются по фракции
роста, к тому же новообразованиям одного и того же гистогенеза
свойственна большая индивидуальная вариабельность по этому
параметру. Например, по данным И.И. Пелевиной и соавторов,
фракция пролиферирующих клеток перевивной опухоли мышей
NKLy/LL варьирует в диапазоне 25—80%. В большом диапазоне
меняется этот показатель и в опухолях человека.
Скорость опухолевого роста определяется не только длитель-
ностью клеточного цикла и величиной фракции роста, но и долей
постоянно погибающих и удаляемых из опухоли клеток, оцени-
ваемой «фактором спонтанной утери клеток». Он отражает судьбу
одной из двух клеток, образующихся при делении (вторая при этом
рассматривается как исходная «материнская» клетка). Величина
фактора утери в разных опухолях значительно варьирует — от 0,3
до 0,99; в последнем случае это означает, что жизнеспособное «по-
томство» в опухоли дает не более 1% клеток.
В нормальных тканях, оказавшихся в зоне облучения, также
имеются клетки на разных стадиях цикла, причем соотношение
пролиферирующих и покоящихся клеток принципиально разли-
чается в рано- и позднореагирующих органах.
Глубина поражения клеток опухоли и нормальных тканей по-
сле однократного облучения определяется их исходной радиочув-
ствительностью, а при фракционированном воздействии — еще и
эффективностью восстановления от сублетальных поражений.
Если перерыв до второй фракции облучения составляет шесть и
более часов, то можно ожидать практически полной реализации
восстановительного потенциала данного вида клеток. Одновре-
менно с восстановлением у некоторых видов клеток индуцируется
процесс апоптотической смерти. Так, клетки лимфоидного проис-
хождения начинают погибать уже в первые сутки после воздейст-
вия. Гибель летально пораженных клеток иного происхождения,
как опухолевых, так и клеток здоровых тканей, растягивается на
несколько дней и происходит как во время очередного деления,
так и спустя несколько часов после него. Клетки опухолей, нахо-
дящиеся вне цикла, так же как и покоящиеся клетки нормальных
тканей, в течение определенного времени могут не проявлять при-
знаков летального поражения.
455
Рис. 21.15. Регрессия рабдомиосаркомы крыс (а) и изменение фракции кло-
ногенных клеток (б) после однократного рентгеновского облучения в дозе
20 Гр. (по Г. Барендсену, 1969):
стрелкой показан момент облучения; объяснения см. в тексте
Непосредственно после облучения большинство опухолей
продолжает рост даже при использовании большой дозы, состав-
ляющей несколько грей, которая впоследствии приведет к гибели
значительной части клеток. Происходит это из-за деления клеток,
сохранивших жизнеспособность, а также нескольких делений
даже «летально» пораженных клеток. В некоторых случаях свой
вклад в увеличение объема вносит и отек, сопровождающий на-
чальные стадии удаления погибающих клеток.
Одно из первых и весьма полных исследований влияния облу-
чения на разные субпопуляции опухолевых клеток выполнено
Г. Барендсеном на примере рабдомиосаркомы крыс. Как видно из
рис. 21.15, при однократном облучении в дозе 20 Гр погибает 99%
клоногенных клеток, однако объем опухоли в первые четверо су-
ток не только не уменьшается, но даже несколько возрастает и
456
лишь в период 6—14 дней становится на 30% меньше исходного
(кривая 2, сравните с кривой 1 — ростом опухоли в контроле, без
облучения). Такое несоответствие количества погибших клоно-
генных клеток со степенью уменьшения объема опухоли связано в
первую очередь с продолжающимся делением клеток, хотя и ле-
тально пораженных, но временно сохраняющих способность к
пролиферации; они погибают в процессе последующих 2—5 актов
деления (см. гл. 7). Наблюдающееся уже сразу после облучения не-
которое замедление роста опухоли связано не столько с гибелью и
распадом клеток, сколько с задержкой деления, которая в данном
случае составляет около 30 ч (1,5 ч на 1 Гр). Отсутствие резкого
уменьшения объема опухоли связано и с медленным удалением
погибших клеток, продолжающимся иногда в течение нескольких
суток. Через 4—6 сут после облучения опухоль начинает умень-
шаться, хотя к этому времени становится интенсивным размноже-
ние опухолевых клеток, что видно из сопоставления роста фрак-
ции клоногенных клеток (см. рис. 21.15, б) и размеров опухоли
(рис. 21.15, а).Именно на этот период приходится гибель и удале-
ние пораженных клеток. Авторадиографические исследования по-
казали рост фактора утраты клеток с 0,62 в контрольной, необлу-
ченной опухоли, до 1,37, т. е. гибель клеток превышала их новооб-
разование. К 8-м сут гибель клеток заканчивается, и далее рост
опухоли определяется только скоростью размножения жизнеспо-
собных клеток. Размеры опухоли полностью восстанавливаются к
12-м сут после облучения, за это время происходит 100-кратное
увеличение числа клоногенных клеток. Такая скорость размноже-
ния (пунктирная кривая 2') примерно соответствует скорости раз-
множения клеток опухолей значительно меньшего размера (кри-
вая 7, до облучения). Пролиферативный пул достигает в этот пери-
од 100%. Ускорение роста в период «дорастания» после облучения
наблюдается и на опухолях человека.
Поданным Г. ван Пеперзеель, изучавшей популяционную ки-
нетику подкожных трансплантантов у мышей до и после облуче-
ния в дозах 2—3 Гр, через 2 сут после воздействия пролифератив-
ный пул возрастал с 87 до 100%, фактор утраты клеток уменьшался
с 0,33 до 0,1, а клеточный цикл укорачивался с 14,5 до 11 ч. Сокра-
щение длительности цикла наблюдается не во всех случаях, оно не
обнаружено, в частности, у фибросаркомы NCTC мышей.
Сразу после лучевого воздействия в опухоли вырастет доля от-
носительно резистентных клеток, находившихся в момент воздей-
ствия в состоянии гипоксии, а среди оксигенированных кле-
457
ток — находившихся в наиболее радиорезистентной части генера-
ционного цикла.
При получении стандартного курса лучевой терапии, когда
фракции подводятся с интервалом в 24 ч, к моменту очередного
облучения клетки проходят следующие процессы. Радиорези-
стентность и опухолевых, и здоровых клеток, с одной стороны, по-
вышается благодаря восстановлению от потенциально летальных
и сублетальных поражений, а с другой — понижается, так как од-
новременно клетки возобновляют продвижение по циклу и пере-
ходят из наиболее радиорезистентной стадии в более радиочувст-
вительные. Удаление погибающих клеток способствует лучшей
оксигенации оставшихся и постепенному уменьшению доли ра-
диорезистентных гипоксических клеток. Этот процесс носит на-
звание реоксигенации. Преимущественная утеря клоногенной спо-
собности оксигенированными клетками приводит к росту в попу-
ляции доли гипоксических клеток, которые с течением времени
«реоксигенируются» за счет уменьшения конкуренции клеток за
циркулирующий кислород.
Эти процессы воспроизводятся после каждой фракции, и через
некоторое время после начала курса клеточная гибель начинает
превышать рождение новых клеток, опухоль уменьшается в объе-
ме, а в быстрообновляющихся популяциях здоровых клеток их де-
фицит начинает проявляться в виде лучевых реакций.
По мере продолжения курса облучения наступает момент ус-
коренной репопуляции опухоли и клеток быстрореагирующих
нормальных тканей. Все большая доля опухолевых клеток, сохра-
няющих свой клоногенный потенциал, начинает получать доста-
точное для деления количество питательных веществ и кислорода.
Это приводит к возрастанию величины фракции роста и уменьше-
нию фактора спонтанной гибели (утери) клеток, соотношение ко-
торых в конкретных опухолях и определяет реакцию на облучение.
При фракционированном облучении особенно важно знать
скорость репопуляции опухолей, так как в случае сильного дроб-
ления дозы незначительное увеличение интервала между фрак-
циями может привести к возникновению динамического равнове-
сия, при котором степень подавления роста опухоли на единицу
дозы будет падать. Г. Барендсен и Д. Броэрс (1970) установили, что
при ежедневном облучении рабдомиосаркомы крыс в дозе 4 Гр в
течение 1 мес опухоль размером 1 см3 удается излечить, в то время
как двухмесячный курс облучения по 2 Гр/сут не дает эффекта: ди-
458
100
Суммарная доза излучения, отн. ед.
Рис. 21.16. Схематическое изображение зависимости излечения опухоли (7)
и возникновения лучевых повреждений (2) от суммарной очаговой дозы
(стрелкой обозначен терапевтический интервал)
намическое равновесие между гибелью и размножением клеток
наступает уже после 10 фракций.
Наряду с ускорением репопуляции опухолей включение систе-
мы клеточного гомеостаза приводит к ускоренной репопуляции
быстрообновляющихся нормальных тканей, в частности, кожи и
слизистой органов пищеварительной и дыхательной систем. На-
против, позднореагирующие ткани во время курса фракциониро-
ванного облучения не проявляют признаков лучевого поражения,
однако у них постоянно увеличивается число клеток паренхимы
(клеток, выполняющих функции соответствующего органа) и кле-
ток эндотелия сосудистой сети, которые окажутся неспособными
к делению при поступлении соответствующего сигнала.
Успех лучевой терапии определяется возможностью достиже-
ния полной стерилизации опухолевых клеток при сохранении до-
пустимого уровня поражения нормальных тканей. Под допусти-
мым уровнем обычно понимается то, что поражения, вызываю-
щие обеспокоенность врачей, но не влияющие на жизнь больного,
возникают не более чем у 5% больных. Если бы таких поражений
совсем не было, а у части больных при этом не было достигнуто из-
лечение, то возник бы вопрос, почему к опухоли не подведена не-
обходимая доза радиации.
Схема, иллюстрирующая связь с дозой излучения двух эффек-
тов — излечения опухоли и поражения нормальных тканей, пред-
ставлена на рис. 21.16. Кривые доза—эффект в обоих случаях име-
ют характерный для вероятностных процессов S-образный вид,
459
причем верхняя часть кривых более растянута и более полога. В от-
ношении излечения опухолей такая форма кривой свидетельству-
ет о быстром нарастании эффекта в области сравнительно низких
и средних доз и о гораздо более медленном повышении эффектив-
ности лучевой терапии по мере приближения к 100%. Положение
и крутизна кривой 7, описывающей зависимость процента изле-
ченных опухолей от очаговой дозы, определяются радиочувстви-
тельностью опухолевых клеток и объемами новообразований. По-
ложение кривой 2, характеризующей лучевые осложнения, также
зависит от радиочувствительности нормальных тканей и облучае-
мого объема, а динамика их развития — от кинетики клеточных
популяций рассматриваемого органа.
21.5. Ранние лучевые реакции и поздние
поражения нормальных тканей
Вопросы радиочувствительности и динамика развития луче-
вых реакций отдельных органов и тканей подробно рассмотрены
ранее в гл. 12, здесь о них будет говориться только в конкретном
приложении к условиям лучевой терапии.
Ранними лучевыми реакциями называются повреждения, воз-
никающие в первые недели после однократного воздействия в
больших дозах, а при фракционированном воздействии — непо-
средственно во время курса облучения или вскоре после его окон-
чания. К поздним лучевым осложнениям относят поражения, про-
являющиеся не ранее чем через несколько месяцев после оконча-
ния лучевой терапии.
Ранние лучевые реакции возникают в тканях с быстрым кле-
точным обновлением, к которым относятся костный мозг, эпите-
лий кишечника и сперматогенный эпителий. Поздние лучевые по-
ражения представляют проблему при облучении почек, печени,
легких, ЦНС, мышц и костей. Эндотелий сосудов занимает проме-
жуточное положение, а динамика развития его лучевого пораже-
ния важна для всех без исключения тканей. Кожа с подкожной
клетчаткой включают множество структурных элементов и, явля-
ясь классическими объектами для изучения ранних лучевых реак-
ций, в поздние сроки страдают от развития лучевого фиброза.
Дополнительно к сказанному в гл. 12 напомним, что системы
быстрого клеточного обновления построены по иерархическому
принципу и включают стволовые клетки, клетки пролифератив-
460
Рис. 21.17. Динамика нарастания и спада лучевых реакций кожи стопы мы-
шей после однократного облучения:
0,5 отн. ед. — начало покраснения кожи, сильное изрежение шерстного покрова;
1 отн. ед. — явное покраснение, небольшой отек, сухой эпидермит по краю стопы;
1,6 отн. ед. — нарушение целостности кожи, значительный сухой эпидермит во время
нарастания реакции и полное отсутствие шерстного покрова, влажный эпидермит и
слипание нескольких пальцев на пике и в начале спада реакций
ноусиливающего пула и функционирующие клетки. Стволовые
клетки способны к постоянному делению и характеризуются сис-
темой особого контроля, предотвращающего их переход в проли-
феративноусиливающий пул при значительном истощении своего
пула. В пролиферативноусиливающем пуле происходит как раз-
множение клеток, так и их дифференцировка. Функциональные
клетки обычно уже не делятся, так что их лучевое поражение не
проявляется, и они погибают естественным путем (например, слу-
щиваются с ворсинки кишечника) независимо от дозы излучения.
При облучении прежде всего погибают стволовые клетки и
клетки пролиферативноусиливающего пула, что не дает возобнов-
ляться пулу функционирующих клеток. Лучевые повреждения
начнут проявляться только после естественной гибели функцио-
нальных клеток, и этот момент определяется не столько дозой из-
лучения, сколько кинетикой соответствующей клеточной популя-
ции. Однако тяжесть и длительность лучевых реакций будут про-
порциональны дозе облучения, поскольку она определяет глубину
истощения пула стволовых клеток. Примером может служить ди-
намика лучевых реакций кожи стопы мышей, подвергнутых ло-
кальному рентгеновскому воздействию (рис. 21.17). Однократное
локальное облучение конечности проведено с использованием од-
461
ной из 4 доз, каждая из которых была больше другой примерно в
1,2 раза. По принятой условной шкале тяжести реакций последст-
вия облучения в дозе 30 Гр были значительно больше, чем в дозе
17 Гр. Если максимальная реакция в первом случае составляла
1,6 отн. ед. (отек, влажный эпидермит), то во втором — только
0,2 (легкое покраснение). При таком большом отличии в тяжести
реакции их спад до нормы наступал практически одновременно —
на 35—38-й день после облучения. Время появления лучевых реак-
ций различалось несколько больше, составляя около 7 дней при
максимальной (из использованных) дозе и 13 дней при минималь-
ной, но эти различия гораздо меньше, чем различия в тяжести ре-
акции. Описанная динамика лучевого поражения кожи, включаю-
щая период быстрого нарастания реакции с последующим спадом
до уровня контроля, характерна для всех быстропролиферирую-
щих тканей. Обычно в восстановлении таких тканей участвуют как
стволовые клетки, сохранившиеся в облучаемом объеме, так и
клетки из соседних участков, как правило, способные медленно
мигрировать в сторону очага поражения.
Системы медленного клеточного обновления представляют
собой однородную популяцию функционирующих, редко деля-
щихся клеток. Лучевые поражения, обусловленные утерей парен-
химатозных клеток, наступают значительно позже и в отличие от
ранних реакций с течением времени не уменьшаются, а увеличи-
ваются, или, в лучшем случае, стабилизируются. В развитии пора-
жения играет роль гибель как паренхиматозных клеток органа, так
и поражение эндотелия его сосудов. Клетки эндотелия теряют
способность к пролиферации, происходит запустевание капилля-
ров, рост новых сосудов угнетается. К этому добавляется повреж-
дение лимфатических сосудов. Общее поражение питающей ткань
сосудистой сети приводит к развитию лучевого фиброза и лучевой
язвы. Практически необратимый характер развития лучевых ос-
ложнений в этом случае и является одной из причин того, что ран-
ние осложнения, уменьшающиеся со временем, принято называть
лучевыми реакциями, а поздние — лучевыми поражениями.
Радиобиологические исследования двух последних десятиле-
тий выявили важное промежуточное звено развития отдаленной
лучевой патологии — выделение клетками цитокинов еще во вре-
мя курса лучевой терапии. Цитокины участвуют в развитии воспа-
лительных реакций и последующего фиброза. Установлена роль
двух трансформирующих факторов роста — интерлейкина 1а и
462
фактора некроза опухолей — в развитии лучевого фиброза. Эти
данные позволили разработать методы уменьшения продукции
цитокинов, благодаря чему удалось снизить тяжесть лучевого
пневмонита и фиброза у облученных мышей.
При больших дозах облучения и стволовые клетки быстрооб-
новляющихся тканей частично теряют свой пролиферативный по-
тенциал, вероятно, по причине ограниченности числа делений,
отпущенной природой нормальным клеткам. Этот потенциал ис-
черпывается при необходимости восполнения значительных кле-
точных потерь. Следствием является меньшая устойчивость ткани
к повторному облучению в больших дозах, необходимость кото-
рого появляется, например, при рецидивировании опухоли. Ме-
нее устойчивы облученные ткани и к травматическому пораже-
нию. Однако степень снижения толерантности отличается значи-
тельной индивидуальной вариабельностью, имеются примеры
даже успешного проведения и повторного курса лучевой терапии.
21.6. Толерантность нормальных тканей
при различном фракционировании дозы
Накопленный в мире опыт лечения опухолей дает хорошее
представление об уровне толерантности нормальных тканей при
наиболее широко применяемых курсах лучевой терапии с еже-
дневным подведением к опухолевому очагу дозы 2 Гр, суммарной
очаговой дозе 60 Гр и общей длительности курса 6 недель. Получе-
ны поправки на снижение толерантности при увеличении объема
облучаемой ткани. Клинические испытания новых режимов фрак-
ционирования поставили также вопрос о возможности оценки из-
менения толерантных доз при варьировании трех показателей: ра-
зовой очаговой дозы, длительности перерыва между фракциями и
общей продолжительности курса. Казалось бы, обширный клини-
ческий материал позволял определить влияние каждого из этих
факторов для разных тканей, однако надежных методов таких рас-
четов не создано и по настоящее время, несмотря на множество
работ в данной области. Вместе с тем анализ литературных данных
и эксперименты с локальным облучением животных, допускаю-
щие (с учетом этических ограничений) превышение уровня толе-
рантности, а потому его точное определение, позволили дать при-
близительную оценку влияния перечисленных параметров курса
лучевой терапии на последствия для нормальных тканей.
463
В странах СНГ традиционно используется разработанная
С. Ортоном и Ф.Эллисом концепция ВДФ, позволяющая рассчи-
тать уровень поражения ткани относительно «толерантного» уров-
ня при изменении общего времени курса, разовой дозы и числа фрак-
ций. В этой концепции принимается, что при стандартном курсе
лучевой терапии происходит достижение уровня толерантности
без его превышения, а «биологическая доза», равная уровню толе-
рантности, называется ВДФ. «Биологическая доза», характери-
зующая степень поражения ткани, рассчитывается, исходя из фи-
зической дозы путем введения поправок: а) на восстановление
клеток между фракциями (практически, это поправки на восста-
новление клеток от сублетальных поражений, описанное в гл. 8) и
б) на восстановление клеточной популяции, т.е. деление клеток,
проходящее в течение курса лучевой терапии.
Физическая разовая доза dпревращается в биологическую дозу
ее возведением в степень 1,538, а поправка на восстановление кле-
точной популяции в течение курса облучения вносится возведени-
ем в степень 0,169 времени в днях (х), приходящихся в среднем на
одну фракцию курса. Смысл этих поправок состоит как бы в под-
счете величины толерантной дозы для условий однократного об-
лучения, с которыми можно будет сравнивать различные режимы
фракционирования. Расчеты традиционно ведутся в сантигреях.
ВДФ = х-°’169Л.
Длительность стандартного курса лучевой терапии из 30 фрак-
ций принята равной 39 дням (за счет перерыва на субботу и воскре-
сенье). Таким образом, на одну фракцию приходится 1,3 дня.
ВДФ = 1 ,з-0’169.2001,538 • 30 = 99277. Для удобства пользования это
число уменьшено в 1000 раз и округлено до 100. Величина ВДФ,
равная 100, принята за уровень толерантности «нормальной тка-
ни».
Коэффициенты у х и d должны быть определены отдельно для
каждой ткани,так как варьируют в широких пределах. Широко
варьирует и рассчитанная величина ВДФ. Знание коэффициентов
х и d позволяет сравнивать два режима облучения и без привязки
их к ВДФ. Если один режим облучения приводит к достижению,
но не превышению толерантного уровня, то для другого режима
может быть, например, определено число фракций (в конечном
итоге, суммарная очаговая доза), при котором он будет приводить
к такому же поражению нормальных тканей. Покажем это на при-
464
мере отдаленной энцефалопатии при попадании в зону воздейст-
вия спинного мозга, приведя коэффициенты для х и d. Два режи-
ма, обозначенные как 7 и 2, будут эквивалентны в этом плане, ко-
гда при изменении разовой дозы d и числа фракций п будет сохра-
няться равенство
>2,439 -0,07 _> 2,439 —0,07
МД X] = Л2<72 Х2 .
Использование представлений о равноэффективных (в плане
лучевых осложнений) режимах облучения предполагает получе-
ние собственных коэффициентов для каждой ткани и критерия
поражения, а также учет облучаемого объема. Но и в этих условиях
сравнению подлежат режимы облучения, относительно близкие
по величине разовой дозы и интервалам между фракциями.
Расчеты по формулам ВДФ или им аналогичным позволяют
определить число фракций данной разовой дозы, которые можно
подвести к опухоли, не превысив толерантности нормальных тка-
ней, являющихся «критическими», наиболее радиочувствитель-
ными приданной локализации новообразований. Но использова-
ние концепции ВДФ не дает представления о том, в каком направ-
лении надо модифицировать режимы фракционирования для рас-
ширения терапевтического интервала. Некоторое указание на это
дает использование линейно-квадратичной, или а, p-модели по-
ражения клеток опухоли и нормальных тканей, которая рассмат-
ривалась в гл. 7. Напомним, что эта модель предполагает участие в
гибели клеток поражений, линейно зависящих от дозы излучения,
и поражений, линейно нарастающих с квадратом дозы, а именно,
что фракция вьгживших клеток N/NQ связана с дозой излучения
соотношением
— = е-а£’“₽р2(см. гл. 7).
^о
Оказалось, что разные ткани характеризуются разной величи-
ной отношения а/p, численно равной дозе в греях, при которой
линейный компонент зависимости выживаемости клеток от дозы
излучения равен квадратичному компоненту. Определить отдель-
но величину аир для клеток в составе ткани in vivo невозможно,
но можно оценить величину а/p, если в эксперименте удается по-
добрать два равноэффективных (по определенному показателю)
режима фракционирования, а именно:
465
a _ nrf -n2dl
P n2d2-nxd{
где n — число фракций, a d — разовая доза равноэффективных ре-
жимов.
Оказалось, что ранореагирующие ткани имеют а/p, равное
6— 15 Гр, а позднореагирующие — 1 —6 Гр. Меньшая величина а/р
указывает, что у тканей с низким уровнем пролиферации член р
играет большую роль, чем у тканей с клетками в генерационном
цикле, что, в свою очередь, свидетельствует о большей роли взаи-
модействия двух поражений в гибели клеток, а значит, и о боль-
шем потенциальном объеме восстановления клеток в перерыве
между фракциями. Опухолевая ткань относится к быстро проли-
ферирующим.
Учитывая это обстоятельство, в лучевой терапии было предло-
жено отдать преимущество использованию небольших разовых
доз и увеличению числа фракций с целью снижения тяжести позд-
них лучевых осложнений. Если тяжесть осложнений находилась
на приемлемом уровне, использование меньших фракций позво-
ляет усилить воздействие за счет подведения в день двух фракций,
что называется режимом мультифракционированного облучения.
При мультифракционированном облучении усиливается пораже-
ние как опухоли, так и попадающих в зону воздействия быстрореа-
гирующих нормальных тканей. Считается, однако, что с ранними
лучевыми реакциями легче бороться, чем с поздними лучевыми
поражениями. Поэтому режимы мультифракционированного об-
лучения широко применяются при лечении опухолей ряда локали-
заций. Заметим, однако, что при использовании новейшей техни-
ки, позволяющей формировать дозные поля с минимальным за-
хватом нормальных тканей, вполне рациональным становится
возвращение к режиму крупного фракционирования, при котором
гораздо легче использовать различные модификаторы и который
удобнее для больных и персонала.
РЕЗЮМЕ
• Радиочувствительность клеток различных новообразова-
ний у человека, а также клеток опухолей одного гистогенеза у
индивидуальных больных варьирует в широких пределах.
466
• Фактором, значительно увеличивающим радиорези-
стентность опухолевых клеток, является гипоксия, возникаю-
щая вследствие дисбаланса в скоростях размножения клеток и
роста сосудистой сети.
• Важной прикладной задачей радиобиологии является
разработка методов селективного управления тканевой радио-
чувствительностью — повышения радиочувствительности
опухолевых и увеличения радиорезистентности клеток здоро-
вых тканей.
• Для сенсибилизации гипоксических опухолевых клеток
используют кислород, подаваемый больному во время сеанса
лучевой терапии, а также электронакцепторные соединения,
обладающие большей по сравнению с кислородом диффузией
в отдаленные от капилляров зоны новообразований, так как в
отличие от кислорода они не расходуются на метаболические
процессы.
• Для преодоления неблагоприятного действия опухолевой
гипоксии разработан метод гипоксирадиотерапии, при кото-
ром избирательная защита нормальных тканей достигается пе-
реводом больных на дыхание смесями, содержащими 8—10%
кислорода. Радиорезистентность нормальных тканей при этом
повышается в большей мере, чем опухолей, уже исходно имею-
щих гипоксические радиорезистентные клетки. Повышение
курсовой дозы излучения на величину, соответствующую пре-
имущественному увеличению радиорезистентности нормаль-
ных тканей, способствует усилению поражения опухолевых
клеток.
• Гипертермия — нагрев (обычно в течение одного часа)
опухоли до температуры в 41—43,5°С. Гипертермия сама по
себе вызывает гибель части опухолевых клеток, а в сочетании с
облучением (терморадиотерапия) резко усиливает их лучевое
поражение.
• Неполноценность опухолевой сосудистой сети уменьша-
ет отвод тепла от опухоли по сравнению с находящимися в зоне
прогрева нормальными тканями. Благодаря этому температура
опухоли превышает температуру здоровых тканей на 1 — 1,5°С,
что определяет избирательность противоопухолевого действия
гипертермии.
467
• Установлено, что одним из факторов усиления эффекта
облучения с помощью гипертермии является подавление репа-
ративных способностей клетки.
• Применение в лучевой терапии тяжелых заряженных
ядерных частиц (протонов, л-мезонов и тяжелых ионов) осно-
вано на лучшем пространственном распределении поглощен-
ной дозы между опухолью и здоровыми тканями. Кроме того,
благоприятной для лучевой терапии особенностью биологиче-
ского действия всех тяжелых частиц, включая нейтроны, явля-
ется ослабление радиозащитного эффекта опухолевой гипок-
сии и более выраженное поражение покоящихся опухолевых
клеток.
• Один из основных методов повышения эффективности
лучевой терапии — новые режимы фракционирования дозы.
Мультифракционирование — подведение в день 2—3 фракций
вместо одной, способствует снижению тяжести отдаленных
лучевых поражений.
• При лучевой терапии большинства злокачественных но-
вообразований пока не удается получить полной регрессии
опухолей у 100% больных. Необходимую для излечения дозу
невозможно подвести из-за опасности превышения толерант-
ности нормальных тканей. Вместе с тем эта доза в большинстве
случаев не может быть ниже уровня толерантности, так как то-
гда значительно уменьшается эффективность излечения опу-
холи.
• Накопленные экспериментальной и клинической радио-
биологией данные о кинетике восстановительных процессов
на клеточном и тканевом уровне позволяют заранее опреде-
лять общую дозу и число фракций, соответствующих уровню
толерантности нормальных тканей, при клинических испыта-
ниях новых режимов лучевой терапии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ВТОРОЙ ЧАСТИ
Завершая изложение основных вопросов радиобиологии орга-
низма, можно сделать ряд выводов, с одной стороны, подтвер-
ждающих преемственность основ общей радиобиологии, рассмот-
ренных в первой части книги на клеточном уровне, а с дру-
гой — свидетельствующих о невозможности прямых экстраполя-
ций клеточных данных в связи с особенностями лучевых реакций
целостного организма.
1. Непосредственные лучевые реакции организма следует рас-
сматривать как следствие поражения критических органов, и в
случаях, когда наблюдаются клинически значимые нарушения,
они переходят в категорию ранних детерминированных эффектов.
При меньших дозах наблюдаются преходящие, клинически незна-
чимые лучевые реакции, которые относят к категории квазидетер-
минированных эффектов.
2. Детерминированные эффекты проявляются после достиже-
ния некоторого дозового порога. Их вероятность и тяжесть усили-
ваются с ростом дозы и ослабляются с пролонгированием облуче-
ния благодаря облегчению как репарации клеточных поврежде-
ний, так и тканевой регенерации.
3. С течением времени и особенно после облучения в больших
дозах развиваются поздние детерминированные эффекты в виде
фиброзов, нейропатий, поражения костей и т.д. Эти эффекты яв-
ляются следствием постепенной утраты клеточных элементов на
фоне низкого уровня клеточной пролиферации, свойственной
этим тканям.
4. В отличие от лучевых реакций на клеточном уровне вероят-
ность и особенно выраженность их проявления в организме зави-
сят и от влияния опосредованных механизмов неспецифической
гомеостатической регуляции, приобретенных и развившихся в
процессе эволюции как способ ослабления влияния любых небла-
гоприятных факторов среды, что ограничивает прямые экстрапо-
ляции с клеточного уровня на организм.
5. Отдаленные стохастические (вероятностные) последствия
облучения (злокачественные новообразования и наследственные
болезни) теоретически не имеют порога, причем с ростом дозы
увеличивается только вероятность их возникновения. При про-
лонгировании облучения вероятность стохастических эффектов
469
ослабляется, но, по-видимому, в меньшей степени, чем детерми-
нированных.
6. В отличие от результатов на животных, случаев радиационно
индуцированных наследственных заболеваний в потомстве чело-
века до сих пор не зарегистрировано, что не дает оснований для
проведения соответствующих прямых межвидовых экстраполя-
ций, в частности, с животных на человека.
7. Анализ сходства и различий между детерминированными и
стохастическими эффектами облучения в зависимости от времени
их проявления и от уровня радиационного воздействия свидетель-
ствует о разных механизмах их формирования.
Эти важные обстоятельства необходимо учитывать при регла-
ментации радиационных воздействий, которые излагаются в
третьей части книги.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
ПРИРОДНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН
ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН
ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯ
МЕДИЦИНСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РАДИАЦИОННЫХ АВАРИЙ
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РЕГЛАМЕНТАЦИИ ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
НОРМЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
В третьей части книги рассматриваются чисто прак-
тические аспекты радиобиологии человека — обеспечение
радиационной безопасности, которое целиком основано на
данных науки о радиобиологии организма, изложенных в
предыдущей части. Прежде всего описаны естественные
(природный радиационный фон), техногенные и искусст-
венные источники радиации и вклад каждого из них в облу-
чение человека в обычных условиях и в чрезвычайных об-
стоятельствах. Сделан анализ произошедших во второй
половине прошедшего века основных радиационных аварий.
Рассмотрены чисто радиологические (связанные с воздей-
ствием облучения) и другие медицинские последствия, обу-
словленные психосоциальными факторами аварии на Чер-
нобыльской АЭС.
В последней главе 3-й части книги излагаются научные
основы регламентации облучения человека, главной задачей
которой является минимизация детерминированных и сто-
хастических последствий облучения. Описана работа меж-
дународных и национальных организаций и ведомств, разра-
батывающих рекомендации в области радиационной защи-
ты для разных категорий облучаемых лиц — профессиона-
лов, работающих в атомной промышленности и в медици-
не, контактирующих по роду своей деятельности с источ-
никами радиации, а также для населения. Изложены дис-
куссионные вопросы теории и практики регламентации об-
лучения, а также канцерогенного и генетического рисков.
ГЛАВА
22 ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Естественный, технологически измененный и искусствен-
ный радиационный фон
Земная радиация
Космическое излучение
Техногенные источники излучения
Радиация в медицине
Испытания ядерного оружия
Атомная энергетика
Профессиональное облучение
Под радиационным фоном понимают ионизирующее излуче-
ние земного и космического происхождения, постоянно воздейст-
вующее на человека. Различают естественный, технологически из-
мененный естественный и искусственный радиационный фоны.
Естественный радиационный фон обусловлен излучением при-
родных радионуклидов Земли и космическим излучением.
Технологически измененный естественный радиационный фон
формируется из природных источников ионизирующего излуче-
ния, например излучения рассеянных в окружающей среде естест-
венных радионуклидов, извлеченных из недр Земли вместе с по-
лезными ископаемыми или содержащихся в строительных мате-
риалах жилищ.
Искусственный радиационный фон — глобальное загрязнение
окружающей среды искусственными радионуклидами, образую-
щимися при расщеплении ядер урана и плутония; возник после
начала испытаний ядерного оружия, а также частично за счет вы-
броса 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 эф-
фективная доза1.
1 Эффективная доза — эквивалентная доза (см. гл. 10), умноженная на взве-
шивающий коэффициент, учитывающий разную радиочувствительность отдель-
ных тканей (см. гл. 24).
473
22.1. Естественные источники радиации
Основная часть воздействия ионизирующего излучения на на-
селение Земли приходится на естественные источники радиации.
При этом избежать облучения от большинства из них невозможно.
22.1.1. ЗЕМНАЯ РАДИАЦИЯ. РАДОН
Более 80% годовой эффективной эквивалентной дозы, полу-
чаемой населением от естественных источников, приходится на
внутреннее облучение от земной радиации — радионуклидов, по-
падающих в организм с пищей, водой и воздухом. Остальную часть
этой дозы вносят космические лучи, главным образом путем
внешнего облучения.
Главные радионуклиды, встречающиеся в Земле, — это ка-
лий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, беру-
щих начало от урана-238 и тория-232 — долгоживущих изотопов,
включившихся в состав Земли с самого ее рождения. Наиболее ве-
сомым естественным источником радиации является тяжелый (в
7,5 раза тяжелее воздуха) газ радон, в форме радона-220, образую-
щегося в цепочке продуктов распада урана-238, промежуточными
элементами которой являются торий-232 и радон-222. Радон отно-
сится к благородным газам, удаляемым из легких с такой же скоро-
стью, с какой он и поступает, поэтому облучение от самого радона
незначительно. Однако продукты распада радона оседают на пыль
и другие мельчайшие частицы, например на частицы табачного
дыма, которые оседают на слизистых дыхательных путей. Таким
образом, когда говорят об облучении человека от радона, на самом
деле имеется в виду облучение от продуктов его деления, в первую
очередь полония-218 и полония-214.
Согласно оценкам НКДАР ООН, радон обусловливает 75% го-
довой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы, полу-
чаемой населением от земных источников радиации, и примерно
половину этой дозы от всех естественных источников.
Основную часть дозы облучения от радона человек получает,
находясь в закрытом, непроветриваемом помещении, в которое
радон поступает, просачиваясь через фундамент и пол из грунта
или, реже, высвобождаясь из строительных материалов, использо-
ванных в конструкции дома. В результате в помещении могут воз-
никать довольно высокие уровни радиации, особенно если дом
стоит на грунте с повышенным содержанием радионуклидов или
если при его постройке использовали материалы с повышенной ра-
диоактивностью. Герметизация помещений с целью утепления
лишь усугубляет дело, так как затрудняет выход газа из помещения.
474
В 70-х годах в Финляндии и Швеции концентрация радона
внутри помещений в 5000 раз превышала его содержание в наруж-
ном воздухе, а в 1982 году его превышение в 500 раз было выявлено
в помещениях в Великобритании и США.
В большой степени это связано с использованием некоторых
строительных материалов, в частности фосфогипса (применяемо-
го при изготовлении строительных блоков, штукатурки, перегоро-
док и цемента), обладающего высокой удельной радиоактивно-
стью. Согласно полученным оценкам, ожидаемая коллективная
эффективная доза* облучения в результате применения этого ма-
териала составляет -300 000 чел. • Зв.
Доля домов с высокой концентрацией радона и его дочерних
продуктов (от 1000 до 10000 Бк/м3) лежит в пределах от 0,001 до
0,1% в разных странах. Следовательно, не так мало живущих в них
людей подвергаются радоновому облучению. Однако в странах,
где этот вопрос не стоит так остро,3/4 коллективной эффективной
дозы, получаемой населением за счет радона, складывается из доз
облучения в домах с удельной радиоактивностью воздуха менее
100 Бк/м3. Это обусловливает эффективную дозу облучения от ра-
дона около 1 мЗв/год, т.е. около половины всей годовой дозы, по-
лучаемой человеком в среднем от всех естественных источников
радиации.
Уровни земной радиации различаются для разных мест земно-
го шара, так как зависят от концентрации радионуклидов в том
или ином участке земной коры. Так, в большинстве стран Европы,
в США, Японии и России примерно 95% населения живет в мес-
тах, где годовая эффективная доза за счет земной радиации состав-
ляет от 0,3 до 0,6 мЗв (табл.22.1).
Таблица 22.1. Средние годовые эффективные дозы облучения населения
за счет основных природных источников ионизирующих излучений в регионах
Земли с нормальным радиационным фоном, мЗв
Источники излучения За счет внешнего облучения За счет внутрен- него облучения Суммарно
Радионуклиды земного проис- хождения: калий-40 0,12 0,18 0,3
ряд урана-238 0,09 1,15 1,24
ряд тория-232 0,14 0,23 0,37
Космическое излучение 0,3 0 0,3
1 Коллективная эффективная доза — эффективная доза, полученная группой
людей от какого-либо источника радиации.
475
Некоторые группы населения (около 3%) получают в среднем
1 мЗв/год, а 1,5% — более 1,4 мЗв/год. Есть, однако, места, где
уровни земной радиации намного больше, например в ряде мест в
Бразилии, в том числе на морском курорте уровень радиации в
сотни раз превосходит средние величины, составляя более
200 мЗв/год. Известны населенные места с резко повышенным
фоном земной радиации в Индии, где ее уровни составляют от 3,8
до 17 мЗв/год. Кроме этих хорошо изученных «горячих точек» пла-
неты, известно, что в Иране, в районе городка Рамсер, бьют клю-
чи, богатые радием, и уровни радиации здесь достигают
400 мЗв/год. Высокие уровни земной радиации зарегистрированы
также во Франции, Нигерии и на Мадагаскаре.
Другими источниками радиации являются уголь и образую-
щаяся в результате его сжигания зола и зольная пыль, приводящие
к увеличению коллективной эффективной дозы на сотни тысяч
чел. • Зв. Значительно меньший вклад в дозу вносит добыча фос-
фатов для производства удобрений.
22.2. Искусственные источники облучения человека
За прошедшее столетие и особенно за последние 50—60 лет че-
ловек создал несколько сотен искусственных радионуклидов, на-
учился использовать энергию атома в самых разных областях: в
науке, на транспорте, в медицине, для производства энергии и для
создания атомного оружия, а также во многих других отраслях
промышленности и быта. Все это приводит к увеличению дозы об-
лучения как отдельных людей, так и населения Земли в целом,
хотя доза, создаваемая всеми искусственными источниками ра-
диации^ составляет около 20% естественного фона (рис. 22.1).
Интенсивность воздействия техногенных источников радиа-
ции сильно варьирует, но?как правило, легче контролируется, хотя
облучение, связанное с радиоактивными осадками от ядерных
взрывов, почти также невозможно контролировать, как и облуче-
ние, обусловленное космическими лучами или земными источни-
ками.
22.2.1. ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В МЕДИЦИНЕ
В настоящее время основной вклад в дозу, получаемую челове-
ком от техногенных источников радиации, вносят связанные с их
применением диагностические процедуры и методы лечения. Как
476
Естественные
источники, 2 мЗв
Источники,
использующиеся
в медицине, 0,4 мЗв
__ Радиоактивные
осадки, 0,02 мЗв
— Атомная
энергетика,
0,01 мЗв
Рис. 22.1. Источники облучения человека
было показано в 21-й главе, лучевая терапия широко применяется
при лечении рака. При этом используются очень высокие дозы,
направленные на исцеление больного. Но получают такие дозы от-
дельные лица, что мало влияет на коллективную эффективную
дозу.
Наиболее распространенным видом медицинского примене-
ния радиации является ее использование в диагностических целях.
В наиболее развитых странах на каждую 1000 жителей приходится
от 300 до 900 обследований в год, не считая рентгенологических
обследований зубов и массовой флюорографии. Правда, около 2/3
населения Земли проживает в странах, где среднее число рентге-
нологических обследований составляет не более 10% от соответст-
вующих показателей в промышленно развитых странах.
Дозы излучения, получаемые при рентгенодиагностических
процедурах, варьируют в очень широких пределах: в зависимости
от технических параметров оборудования, методов, применяемых
в различных медицинских учреждениях, и опыта рентгенологов.
Для большинства рентгенодиагностических процедур средняя
доза воздействия на кожу составляет 0,5—5 сГр за процедуру, хотя
в отдельных случаях (например, при обследовании сердца) разовая
доза может достигать 0,5 Гр. В зубоврачебной практике доза воз-
действия на голову и щитовидную железу достигает соответствен-
но 0,2—0,5 и 0,002—0,07 сГр. Доза облучения участков костного
477
мозга измеряется сотнями и тысячами мкГр за процедуру; при ис-
пользовании соответствующей аппаратуры и сверхчувствительной
пленки эта доза может быть уменьшена в 5 раз и более.
В последнее время появился ряд технических усовершенство-
ваний, правильное использование которых значительно снижает
поглощенную дозу. Однако исследования, проведенные в ФРГ,
Великобритании и США, показывают, что дозы, получаемые че-
ловеком в пределах одной страны, но в разных клиниках, могут
различаться в 100 раз. Это зависит от тщательности ограничения
облучаемого объема, состояния и правильной эксплуатации обо-
рудования, качества и чувствительности пленок и других техни-
ческих и методических факторов. Значительное снижение луче-
вых нагрузок (от 5 до 50 раз) достигается в результате применения
компьютерной томографии.
При обсуждении целесообразности или необходимости диаг-
ностического применения ионизирующих излучений следует, как
это всегда принято при регламентации радиационных воздейст-
вий, исходить из принципа сравнительной оценки пользы и риска.
Наглядным примером такого подхода могут служить данные мас-
совой флюорографии в Японии, в результате которой при изготов-
лении 40 млн. рентгеновских снимков легких было обнаружено
около 44 500 случаев туберкулеза. Согласно подходам, рекомен-
дуемым МКРЗ, такое облучение может гипотетически привести к
появлению у обследованного контингента в течение 25 лет лишь 45
заболеваний лейкозами и 7 случаев рака, что свидетельствует о су-
щественном положительном балансе пользы рентгенодиагности-
ки относительно риска. В тоже время, по расчетам Э. Холла (1989),
на каждого японца, заболевшего раком вследствие атомной бом-
бардировки, приходится не меньше 20 заболевших из-за неоправ-
данного облучения в медицинских целях.
22.2.2. ИСПЫТАНИЯ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ
Максимум испытаний ядерного оружия приходится на два пе-
риода: первый — 1954—1958 гг., когда взрывы проводили Велико-
британия, США и СССР, и второй, более значительный — на
1961—1962 гг., когда ядерные взрывы проводили в основном Со-
единенные Штаты и Советский Союз. В результате этих испыта-
ний выпадают радиоактивные осадки. Часть из них выпадает не-
подалеку от места испытания, а другая часть перемещается ветром
на большие расстояния и постепенно выпадает на землю. После
подписания в 1963 г. Договора об ограничении испытаний ядерно-
478
го оружия, запрещающего его испытание в атмосфере, под водой и
в космосе, серию таких испытаний в Индии и Пакистане провели
Франция и Китай. Подземные испытания проводятся до сих пор,
но они обычно не сопровождаются образованием радиоактивных
осадков.
Вклад в ожидаемую коллективную эффективную дозу облуче-
ния населения от ядерных взрывов, превышающий 1%, дают толь-
ко четыре радионуклида: это 14С, 137Cs, 95Zr и 90Sr. В настоящее вре-
мя существенную долю в дозу вносит только |4С, период полурас-
пада которого составляет 5730 лет. Остальные практически уже по-
теряли активность. Большая часть радиоактивных осадков выпала
в северном полушарии, где проводилась большая часть испыта-
ний. Дозы, полученные пастухами на Крайнем Севере, в 100—1000
раз превышают среднюю индивидуальную дозу для остальной час-
ти населения. Суммарная ожидаемая коллективная эффективная
доза от всех ядерных взрывов, произведенных в атмосфере, состав-
ляет около 40 млн чел. Зв. К настоящему времени человечество
получило 15% этой дозы, остальную часть оно будет получать еще
миллионы лет.
22.2.3. АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее ин-
тенсивные споры, являются атомные электростанции (АЭС), хотя
в настоящее время их вклад в суммарное облучение населения
весьма незначителен, так как при нормальной работе ядерных ус-
тановок выбросы радиоактивных материалов в окружающую среду
незначительны.
АЭС являются лишь частью ядерного топливного цикла, кото-
рый начинается с добычи и обогащения урановой руды. Другой, не
менее важный источник облучения — производство ядерного топ-
лива для АЭС, которое после отработки в реакторах1 станции ино-
гда (примерно 10%) подвергают вторичной отработке, чтобы из-
влечь из него уран и плутоний. Как правило, цикл заканчивается
захоронением радиоактивных отходов. На каждой стадии цикла в
окружающую среду могут поступать радиоактивные вещества, ко-
личество которых, а следовательно, и создаваемые уровни облуче-
1 То же относится и к нормальной эксплуатации реакторов на морском флоте.
479
ния населения зависят от многих технологических причин и от
места проживания.
Каждый реактор выбрасывает в окружающую среду целый ряд
радионуклидов с разными периодами полураспада. Большинство
радионуклидов распадается быстро и поэтому имеет лишь местное
значение. Однако некоторые живут достаточно долго и могут рас-
пространяться по всему земному шару, а определенная часть из
них остается в окружающей среде бесконечно.
Согласно оценкам НКДАР (сложные методы получения этих
оценок здесь не приводятся), годовая коллективная эффективная
доза облучения от всего ядерного цикла к 2000 г. составляла около
10 000 чел. • Зв, а к 2100 г. она возрастет до 200 000 чел. • Зв. Эти
оценки основаны на пессимистическом предположении, что ны-
нешний уровень выбросов сохранится и не будут введены сущест-
венные технические усовершенствования. Но даже и в этом случае
средние дозы будут малы по сравнению с уровнями облучения от
естественных источников — в 2100 г. они составят лишь 1% от ес-
тественного фона. Люди, проживающие вблизи АЭС, конечно,
получают гораздо большие дозы, чем в среднем все население. Тем
не менее в настоящее время эти дозы обычно не превышают не-
скольких процентов естественного радиационного фона.
Все приведенные цифры получены на основании предположе-
ния, что ядерные реакторы работают нормально. Однако количе-
ство радиоактивных веществ, поступивших в окружающую среду
при авариях, оказывается гораздо большим (см. гл. 23). Поэтому
особое внимание придается максимальному обеспечению радиа-
ционной безопасности на действующих реакторах, а также при
проектировании и строительстве новых АЭС.
Самые большие дозы облучения, источником которого явля-
ются объекты атомной промышленности, получают работающие
на них люди. Дозы, получаемые рабочими урановых рудников и
обогатительных фабрик, составляют в среднем 1 чел. - Зв на каж-
дый гигаватт/год электроэнергии. Примерно 90% этой дозы при-
ходится на долю рудников, причем персонал, работающий в шах-
тах, подвергается большему облучению. Коллективная эквива-
лентная доза от заводов, на которых получают ядерное топливо,
также составляет 1 чел. - Зв на гигаватт/год. Наиболее типичное
значение среднегодовой коллективной эффективной дозы для ре-
480
Медицина
- 1600000
Предполагаемое
развитие атомной
энергетики
1980г. - 500 -------
2000г. -10000 --------
Воздушный
' транспорт - 2000
Часы наручные
и прочее - 2000
Атомная энергетика
(профессиональное
облучение) - 2000
Атомная энергетика
(1980) - 500
2100г. -200000
Рис. 22.2. Облучение населения земли от разных источников в сопоставле-
нии с существующими и ожидаемыми лучевыми нагрузками от атомной
энергетики в связи с ее предполагаемым развитием:
цифры — годовая эффективная коллективная доза, выраженная в чел. • Зв
акторов составляет 10 чел. • Зв на гигаватт/год электроэнергии.
Средняя доза, получаемая людьми, занятыми научно-исследова-
тельской работой, в среднем по всем странам составляет ~3
чел. • Зв на гигаватт/год. Все эти величины суммарно добавляют
0,03% дозы, получаемой от естественных источников. Понятно,
что средние оценки профессиональных доз не отражают большого
разброса индивидуальных доз.
481
Кроме рабочих предприятий атомной промышленности, облу-
чению подвергаются работники обычных предприятий, а также
медицинский персонал. Вклад дозы, получаемой медиками, зани-
мающимися радиологическими обследованиями, в коллективную
эффективную дозу населения в странах с высоким уровнем меди-
цинского обслуживания составляет около 1 чел. • Зв на миллион
жителей.
На рис. 22.2 сопоставлены дозы, создаваемые различными ис-
кусственными источниками облучения. Из рисунка видно, сколь
скромное место по сравнению с сегодняшним применением ра-
диации в медицине занимает современная атомная энергетика и
каков прирост лучевой нагрузки от нее в перспективе.
22.2.4. ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯ
Самым распространенным источником облучения являются
часы со светящимся циферблатом. Они дают годовую дозу, в 4 раза
превышающую обусловленную утечками на АЭС.
Такую же коллективную эффективную дозу получают работ-
ники атомной промышленности и экипажи авиалайнеров. При
перелете из Москвы в Нью-Йорк пассажир обычного турбореак-
тивного самолета получает дозу около 0,05 мЗв, а пассажир сверх-
звукового лайнера получал бы на 20% меньше, хотя подвергался
бы более интенсивному облучению, но за более короткий проме-
жуток времени.
В авиалайнерах облучение происходит за счет космической ра-
диации, относящейся к естественным источникам. Однако воз-
можностью систематически подвергаться столь интенсивному
космическому облучению человечество обязано техническому
прогрессу XX в., в связи с чем этот вопрос рассматривается как
своеобразное следствие антропогенной деятельности. Всего за
счет использования воздушного транспорта человечество получа-
ет в год коллективную эффективную дозу около 2000 чел. • Зв.
Источником рентгеновского излучения, наконец, являются
цветные телевизоры, однако при правильной настройке и экс-
плуатации дозы облучения от их современных моделей ничтожны.
482
РЕЗЮМЕ
• Различают три вида радиационного фона (РФ) — естест-
венный РФ, технологически измененный РФ и искусственный
РФ.
• Естественный РФ обусловлен излучениями природных
радионуклидов Земли и космического происхождения. В боль-
шинстве стран мира, в том числе в России, годовая мощность
дозы излучения, создаваемая естественным РФ, составляет
0,3—0,6 мЗв.
• Технологически измененный естественный РФ обуслов-
лен природными источниками излучений, извлеченными из
недр земли, например, содержащимися в строительных мате-
риалах.
• Искусственный РФ — глобальное радиационное загряз-
нение окружающей среды, образующееся при расщеплении
ядер урана, например, в результате испытаний ядерного ору-
жия, а также выбросов АЭС. Искусственный РФ составляет
около 3% естественного РФ.
• Мерой воздействия РФ на местности является поглощен-
ная доза, а при оценке влияния на человека — годовая эффек-
тивная доза.
• Основную лучевую нагрузку на человека создает меди-
цинское применение ионизирующих излучений. При оценке
целесообразности или необходимости облучения с диагности-
ческими и лечебными целями следует, как и при других аспек-
тах радиационной безопасности, исходить из принципа срав-
нительной оценки пользы и риска.
ГЛАВА
Z J МЕДИЦИНСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
РАДИАЦИОННЫХ АВАРИЙ
Неконтролируемое облучение профессионалов и населения
Радиационные аварии
Два типа медицинских последствий радиационных ава-
рий — радиологические, обусловленные облучением, и со-
матические расстройства здоровья нерадиационной природы
Медицинские последствия аварии на ЧАЭС и их прогноз на
будущее
В этой главе рассмотрены медицинские последствия различ-
ных видов неконтролируемого облучения профессионалов и насе-
ления, условно объединенных термином «радиационные аварии»,
хотя многие события возникали чисто произвольно (например,
сброс радиоактивных отходов в реку Теча), не говоря об атомном
нападении на Японию, с которого и началась история массовых
радиационных последствий у человека. Вслед за атомной бомбар-
дировкой Хиросимы и Нагасаки во всем мире стали активно раз-
виваться два независимых направления исследований, направлен-
ных на сохранение здоровья профессионалов, работающих в об-
ластях, связанных с ионизирующей радиацией, и населения, не-
произвольно находящегося в контакте с нею.
Первое направление включает изучение средств и методов
профилактики (радиопротекторов) и лечения острых лучевых по-
ражений, второе — разработку мероприятий, направленных на
минимизацию радиологических последствий радиационных ава-
рий, возможность которых в связи с развитием ядерной энергети-
ки (хотя и с крайне малой вероятностью) не может быть исключе-
на.
С 60-х годов по ряду объективных причин работы по первому
направлению начали повсеместно сокращаться, а по второму, —
напротив, наращиваться, так как стали очевидными реальные по-
следствия техногенного облучения.
Особый стимул развитию всех аспектов радиационной без-
опасности был дан происшедшей в 1986 г. аварией на Чернобыль-
484
ской АЭС. Чернобыльская авария по своим масштабам превзошла
все прошлые радиационные инциденты, так как привела к радиа-
ционному загрязнению огромных территорий земного шара. Од-
нако в действительности радиологические последствия были зна-
чительно меньше, чем предсказывались в первые годы не только
дилетантами, но и некоторыми специалистами.
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 (особенно россий-
ского) их преодоления в прошлых радиационных авариях.
23.1. Возможные медицинские последствия
радиационных аварий
Существует два вида возможных медицинских последствий
любой крупной радиационной аварии:
— собственно радиационные, точнее, радиологические послед-
ствия, являющиеся результатом непосредственного воздействия
ионизирующего излучения;
— различные общие расстройства здоровья, вызванные любы-
ми другими факторами аварии нерадиационной природы, напри-
мер социальными, стрессорными или психологическими.
Между тем среди населения широко бытует представление о
том, что любые расстройства здоровья, регистрируемые улиц, хотя
бы кратковременно работавших в зоне аварии или проживающих
на загрязненных радионуклидами территориях, связаны с облуче-
нием. Исторически страх перед радиацией возник в связи с ужас-
ными последствиями двух атомных бомбардировок, хотя и тогда
основные жертвы были результатом отнюдь не облучения, а след-
ствием воздействия ударной волны и ожогов. В еще меньшей сте-
пени обосновано заключение о радиационной обусловленности
многочисленных расстройств здоровья, отмечаемого населением
при большинстве аварий.
Радиологические эффекты по времени их проявления делят на
две хорошо известные из прошлого изложения категории: непо-
средственные, объединяемые терминами «детерминированные», и
отдаленные — «стохастические».
485
Рис. 23.1. Общая схема возможных медицинских последствий радиационных
аварий на примере аварии на ЧАЭС с ее реальными и прогнозируемыми
радиологическими последствиями
Напомним, что детерминированные эффекты (лат. determinare —
обусловливать) всегда обусловливаются гибелью большого числа
клеток критических органов — костного мозга, кишечника, се-
менников, кожи. Все детерминированные эффекты пороговые.
Они обязательно возникают при достижении пороговой дозы (не
менее 0,25 Гр) и с ее ростом увеличиваются, так как увеличивается
число погибающих клеток.
Следовательно, обязательными условиями отнесения того или
иного непосредственного эффекта к категории детерминированных
являются его зависимость от дозы и клиническое проявление, как
следствие значительных клеточных утрат.
В отличие от непосредственных, детерминированных эффек-
тов, для возникновения отдаленных последствий может оказаться
486
достаточным изменения одной клетки. Теоретически они не име-
ют порога, отсюда и их название стохастические, т.е. вероятност-
ные, случайные эффекты. Если такие изменения происходят в со-
матических клетках облученного индивидуума, то со временем у
него может возникнуть лейкоз или рак. Если изменениям подверг-
лись половые клетки, можно ожидать развития наследственных
заболеваний или врожденных уродств у потомства.
Облучение плода чревато возникновением так называемых те-
ратогенных эффектов, проявляющихся в виде врожденных уродств
и других аномалий развития.
На рис. 23.1 представлена общая схема возможных медицин-
ских последствий на примере Чернобыльской аварии; одновре-
менно отражены ее радиологические последствия, проявившиеся
к началу 2003 г., а также прогнозируемые в последующем. Мы вер-
немся к обсуждению реальных медицинских последствий аварии
на ЧАЭС после краткого обзора предшествующих ей радиацион-
ных инцидентов.
23.2. Медицинские последствия основных1
неконтролируемых радиационных воздействий
В табл. 23.1 перечислены радиологические последствия атом-
ной бомбардировки в Японии, трех инцидентов в России — сбро-
са воды с радионуклидами на радиохимическом комбинате «Маяк»
(г. Озерск) в реку Теча1 2, взрыва емкости-хранилища радиоактив-
ных отходов этого комбината, с загрязнением большой террито-
рии Уральского региона (Восточно-Уральского радиоактивного
следа, ВУРС), и аварии на ЧАЭС, а также 5 неконтролируемых ра-
диационных событий в других странах — аварий на реакторах в
Уиндскейле и Три-Майл-Айленде, выбросов радиоактивного йода
на заводах в Хэнфорде, выпадения радиоактивных осадков на
Маршалловых островах и аварии в Гоянии.
1 Анализ не касается радиационных аварий на военных реакторах, в частности
на подводных лодках.
2 Описание радиационной обстановки, сложившейся в результате аварийных
событий, происходивших на Южном Урале, приведено в гл. 16.
487
Таблица 23.1. Качественные оценки радиологических последствий
неконтролируемых радиационных воздействий в мире
(по Л.А. Булдакову, 2003)
Место и время, постра- давшие Доза, Гр ОЛБ ХЛБ Лей- козы Рак ВАР Генети- ческие эффекты
Хиросима, Нагасаки, население 1945 г. 0,1-6 + — + + + —
«Маяк», работники, 1949 - 1999 гг. 0,1—>10 + + + + — —
Жители г. Озерска, вблизи «Маяка» 0,01-0,15 — — — ЩЖ — —
ВУРС, охрана, 1957 г. 0,01-1 — — — — — —
ВУРС, жители, 1957 г. 0,01-0,5 — — — — — —
ЧАЭС, ликвидаторы* 0,1-16 + — + — — —
ЧАЭС, население 0,01-0,25 — — — — — —
ЧАЭС, дозы в ЩЖ 0,1- > 10 — — — — —
Авария реактора Уиндскейл, 1957 г. 0,01-0,1 — — — — — —
Три - М айл-Айленд, реактор АЭС 1979 г. < 0,00085 — — — — — —
Маршалловы остро- ва, 1954 г. 0,5-5 — — — + — —
Хэнфорд, выбросы радиойода на заводах, 1951 г., 1963 г. < 0,2 — — — + — —
Гояния, 1987 г. 1-8 + — — — 7
Примечание. ОЛБ.ХЛБ — острая и хроническая лучевая болезнь, ВАР — врожден-
ные аномалии развития, ЩЖ — щитовидная железа.
"Имеются в виду две группы ликвидаторов — более 600 человек, работавших в первые
часы и получивших большие дозы облучения — от 0,5 до 16 Гр и основное число (около
600 тыс.) участников работ по минимизации последствий аварии, подвергшихся облучению от
0,1 до 0,5 Гр (в большинстве в пределах 0,25 Гр).
Международной шкалой комплексных оценок, прежде всего
учитывающих количество выброшенных в атмосферу радионук-
лидов, предусмотрено семь категорий радиационных аварий. В со-
ответствии с этой шкалой все три российские аварии, последствия
которых и будут предметом дальнейшего рассмотрения, являются
наиболее тяжелыми.
Чернобыльская авария по международной шкале классифици-
руется как глобальная с наивысшим индексом 7. В результате этой
аварии всего в атмосферу было выброшено более 1019 Бк реактор-
ных радионуклидов.
488
К тяжелым, с индексом 6, относится и авария на Южном Ура-
ле, образовавшая ВУРС, так как количество выброшенных в атмо-
сферу радионуклидов превысило 7 • 1017 Бк долгоживущих радио-
активных изотопов.
К авариям с тем же индексом 6 можно отнести и произвольный
сброс в водоем реки Теча 1 • 1017 также долгоживущих радионукли-
дов с комбината «Маяк».
Медицинские, особенно радиологические последствия всех
трех аварий существенно различаются, так как их реализация за-
висит, кроме суммарного количества выброшенных радионукли-
дов, от продолжительности выбросов и численности населения,
которая, в свою очередь, как правило, пропорциональна площади
загрязнения. Поэтому с увеличением территории загрязнения и
соответственно численности проживающего на ней населения
сильно возрастает коллективная эффективная доза.
Однако индивидуальные дозы, получаемые населением, сле-
дуют другой, противоположной закономерности, так как уровни
радиационного воздействия обратно пропорциональны площади
загрязнения и численности затронутого им населения.
Действительно, в результате загрязнения проточного водоема
суммарной активностью 1017 Бк индивидуальные дозы у жителей
прибрежных сел достигали 5 Зв, после взрыва емкости с радиоак-
тивными отходами в 7 раз большей активности — 7,4 • 1017 Бк,
дозы оказались в 10 раз меньшими — 0,5 Зв, а после взрыва Черно-
быльского реактора при выбросе на два порядка большей активно-
сти — 1019 Бк, средние индивидуальные дозы были еще мень-
ше — 0,2 Зв. Это обусловлено размером территории рассеивания
нуклидов, когда плотность загрязнения обратно пропорциональна
общей площади загрязнения. Поэтому после Чернобыльской ава-
рии, несмотря на огромные выбросы, загрязнившие гигантские
(более 200 000 км2) поверхности земного шара, как и после аварии
1957 г., индивидуальные дозы внешнего облучения среди населе-
ния не превысили порога детерминированных эффектов, тогда
как при загрязнении существенно меньшей территории по бере-
гам р. Течи у 10% жителей дозы оказались выше пороговых.
Особенность реакторных аварий состоит в выбросе коротко-
живущих радионуклидов, в частности большого количества ра-
диоактивных изотопов йода. Отсюда — локальное облучение щи-
товидной железы и, как следствие, — рак этого органа.
489
23.3. Последствия аварии на ЧАЭС
Крупнейшая глобальная радиационная авария на ЧАЭС (да-
лее — авария) и ее последствия не могли не вызвать бурной реак-
ции населения всего мира и особенно непосредственно пострадав-
ших от нее стран — Белоруссии, России и Украины. При этом и по
сей день в обществе сохраняются противоречивые мнения — от
основанных на достоверных научных данных объективных оценок
медицинских последствий аварии, до далеких от реальности субъ-
ективных представлений, базирующихся на чрезвычайно эмоцио-
нальном восприятии действительности, которая при всей ее
печальной значимости не дает никаких оснований для панических
прогнозов для ныне живущих и будущих поколений.
Анализу этих вопросов посвящено специальное научное при-
ложение «Отчета НКДАР‘-2000», представленного 59-й Генераль-
ной Ассамблее ООН. Учитывая актуальность объективного вос-
приятия медиками и биологами медицинских последствий данной
аварии, а также необходимость правильной оценки любого некон-
тролируемого радиационного события, дальнейшее достаточно
детальное изложение в основном опирается на данные «Отчета
НКДАР-2000».
23.3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ АВАРИИ
Авария произошла в 1 ч 24 мин после полуночи 26 апреля
1986 г. во время технических испытаний малой мощности, прово-
дившихся на реакторе четвертого блока станции. Системы без-
опасности реактора были в нарушение всех норм и правил экс-
плуатации отключены, а управляющие стержни выведены из реак-
тора, так что происшедший во время эксперимента переход в неус-
тойчивый режим работы привел к резкому, неконтролируемому
подъему мощности, что вызвало серию паровых (теплоносителем
в реакторе служила вода) взрывов, разрушивших сам реактор и по-
вредивших его здание. Выброшенные взрывом обломки активной
зоны реактора вызвали более 30 очагов возгорания на крыше, по-
1 НКДАР — Научный комитет по действию атомной радиации ООН — авто-
ритетная международная организация, которая на основе информации о послед-
них научных исследованиях биологического действия радиации, получаемой от
крупнейших ученых мира (около 100 экспертов), готовит рекомендации по радиа-
ционной безопасности и минимизации вредных последствий облучения для здоро-
вья и докладывает их на специальных сессиях ООН.
490
крытой легко воспламеняющимся гудроном. Уже через пять минут
на место аварии прибыли 14 пожарных, а через 2 ч на объекте рабо-
тали 250 человек, из которых 69 непосредственно участвовали в ту-
шении пожара. Работы велись на 70-метровой высоте в условиях
сильного задымления и высоких уровней излучения, что вызвало
почти у половины участников (ликвидаторов первой волны) тяж-
кие поражения со смертельным исходом.
На первом этапе для борьбы с огнем и выбросами радионукли-
дов в реактор было сброшено с вертолетов 5 тыс. т веществ, погло-
щающих нейтроны и материалов для тушения пожаров (свинца,
соединений бора, доломита, песка, глины и жидких полимеров).
Неточность большинства сбросов привела к новым разрушениям
и распространению радиоактивного загрязнения, поэтому к 10-му
дню сброс был прекращен. Расплавившиеся материалы активной
зоны («лава») образовали на дне шахты слой металлизированного
топлива, а его соприкосновение с водой вследствие дальнейшего
растекания вызвало образование пара, что способствовало резко-
му увеличению интенсивности радиоактивных выбросов, которые
существенно снизились лишь через 9 дней, когда лава затвердела.
Радиоактивное загрязнение земной поверхности
Основные дозовые нагрузки на население создают 1311 (в пер-
вые недели после взрыва) и 37Cs (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 ко-
торых средняя плотность выпадения 137Cs превышает 37 кБк/км2
(1 Ки/км2).
На территории СССР были выделены три основных района за-
грязнения: Центральный, охватывающий часть ближней зоны во-
круг реактора, Гомельско-Могилевско-Брянский (в 200 км к севе-
ру 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 ре-
актора. Всего в республиках СССР было загрязнено более
150 000 км2 территорий.
В некоторых странах Европы (Финляндии, Норвегии, Шве-
ции, Австрии и Болгарии) плотность выпадения 137Cs превысила
37 кБк/км ; на территории всей Европы общая площадь выпаде-
ний составила 45 000 км2.
491
Дозы облучения различных категорий населения
Принято различать три категории лиц, подвергшихся облуче-
нию 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.
Облучению в больших дозах подверглись примерно 600 чело-
век из числа аварийного персонала, находившихся в ночь аварии
на промплощадке станции. Из них 134 человека получили наи-
большие дозы внешнего облучения (сравнительно равномерного
у-облучения всего тела и р-облучения обширных его поверхно-
стей). У 41 пострадавшего дозы внешнего облучения составили ме-
нее 2,1 Гр; у 50 — от 2,1 до 4,1 Гр; у 22 — от 4,2 до 6,4 Гр и у 21 — от
6,5 до 16 Гр. Дозы р-облучения кожи у 8 пациентов с ОЛБ в 10—30
раз превосходили дозы внешнего у-облучения.
Удостоверения, подтверждающие статус ликвидаторов, полу-
чили около 600 тыс. человек, в том числе 340 тыс. военнослужа-
щих. Точные данные о дозах облучения ликвидаторов в течение
первых двух месяцев отсутствуют. В последующем наряду с инди-
видуальной дозиметрией использовались и другие методы оценки
доз, каждый из которых характеризовался разной степенью неоп-
ределенности. С учетом многих погрешностей проведенной до-
зиметрии, по данным регистров можно считать, что средние эф-
фективные дозы у-облучения, полученные ликвидаторами в
1986—1987 гг., составили примерно 100 мЗв, при разбросе индиви-
дуальных доз от менее 10 мЗв до более 500 мЗв.
В первые недели после аварии из наиболее загрязненных рай-
онов Белоруссии и Украины было эвакуировано около 116 тыс.
жителей. Основные дозовые нагрузки у них пришлись на щито-
видную железу в результате воздействия радионуклидов йода.
Средневзвешенная доза в этом органе для всего эвакуированного
населения составила 0,47 Гр (от 0,07 Гр для взрослых до 2 Гр для де-
тей). Дозы облучения других органов, помимо щитовидной желе-
зы, у эвакуированного населения были намного ниже.
Лучевые нагрузки населения, проживающего на загрязненных
территориях, складывались за счет облучения щитовидной железы
и внешнего у-облучения всего тела. Дозы на щитовидную железу
более 1 Гр были определены для детей в возрасте до одного года,
причем в одном и том же населенном пункте дозы облучения щи-
товидной железы взрослых жителей были примерно в 10 раз ниже,
492
80 n
Время после аварии, дни
Рис. 23.2. Изменение вклада различных радионуклидов в поглощенную дозу
на загрязненной территории России в первые месяцы после аварии
чем у детей до одного года. Преимущественное облучение щито-
видной железы детей определялось употреблением молока, за-
грязненного радионуклидами йода вследствие поедания коровами
пастбищной травы, а также их относительно большим ингаляци-
онным поступлением. С 1987 г. дозы формировались в основном
за счет внешнего излучения от 134Cs и 137Cs в выпадениях и загряз-
нения этими же радионуклидами пищевых продуктов. Значитель-
но меньший вклад в дозу вносят другие радионуклиды. Это видно
из представленных на рис. 23.2 кривых, отражающих вклад раз-
личных радионуклидов в дозу в первые месяцы после аварии.
Средняя эффективная доза, полученная населением загряз-
ненных районов за 10 лет после аварии, составила около 10 мЗв.
Медианное значение эффективной дозы оценивается в 4 мЗв, и
только примерно для 10 тыс. жителей оценка эффективной дозы
превышает 100 мЗв. Ожидается, что пожизненные эффективные
дозы примерно на 40% превысят дозы за первые 10 лет.
23.3.2. МЕДИЦИНСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ АВАРИИ
Оценки медицинских последствий аварии произведены с уче-
том огромного опыта радиационной медицины, накопленного
при диагностическом и лечебном применении ионизирующего
493
излучения, а также в процессе преодоления последствий большого
числа чрезвычайных ситуаций: радиационных аварий, испытаний
и применения атомного оружия и других, перечисленных в
гл. 23.2, неконтролируемых радиационных воздействий. Следует
иметь в виду, что именно этот гигантский научно-практический
опыт служит надежной основой разработки международных и на-
циональных регламентов облучения человека, обеспечивающих
недопущение ущерба здоровью.
Более трех первых лет после аварии мероприятия по ослабле-
нию ее последствий рассматривались Советским Союзом исклю-
чительно как его внутреннее дело. Однако с 1990 г. начало разви-
ваться международное сотрудничество, которое сыграло важную
роль в объективной оценке последствий аварии для здоровья.
В 1990—1991 гг. МАГАТЭ по просьбе правительства СССР ор-
ганизовало 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 здравоохране-
ния осуществила Международную программу работ по медицин-
ским последствиям аварии (IPHECA — АЙФЕКА). Был реализо-
ван ряд проектов по анализу методов регистрации заболеваемости
и ретроспективной оценки доз облучения.
В 1991 —1996 гг. Японский мемориальный фонд здравоохра-
нения Сасакавы профинансировал самую большую программу ме-
дицинского обследования детей. В ходе реализации этой програм-
мы были созданы пять областных диагностических центров в Бе-
лоруссии, России и на Украине, оснащенных современным мо-
бильным оборудованием.
Работы, осуществленные в рамках перечисленных междуна-
родных проектов, в значительной степени способствовали объек-
тивной оценке медицинских последствий аварии, что послужило
основанием для оптимистического прогнозирования здоровья аб-
солютного большинства людей.
На рис 23.1 были суммированы имевшие место медицинские
последствия аварии. Рассмотрим теперь их по отдельности и более
детально.
494
23.3.2.1. РАННИЕ РАДИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
У ПЕРСОНАЛА РЕАКТОРА И СОТРУДНИКОВ
АВАРИЙНЫХ СЛУЖБ
Из общего числа сотрудников АЭС, находившихся на станции
во время взрыва, многие из которых принимали участие в тушении
пожара и других аварийных работах в зоне поврежденного реакто-
ра, 237 человек прошли первоначальное обследование с целью ди-
агностирования ОЛБ. В последующем этот диагноз был подтвер-
жден у 134 пациентов; у остальных в результате тщательного кли-
нико-лабораторного обследования он был отвергнут. Тем не менее
все живущие до самого последнего времени находятся под посто-
янным медицинским наблюдением.
Из 134 больных 28 наиболее тяжелых, страдавших комбиниро-
ванными поражениями (тяжелейшая степень ОЛБ у них была ос-
ложнена обширными ожогами), несмотря на активное лечение
(см. гл. 14), умерли в первые четыре месяца после аварии. Впослед-
ствии, с 1987 по 2002 г., от разных причин (ИБС, миелодиспласти-
ческий синдром, лейкоз, туберкулез и гангрена легких, цирроз пе-
чени, жировая эмболия) умерло еще 15 человек.
Таким образом, в результате аварии детерминированные эф-
фекты в виде ОЛБ всех степеней тяжести развились у 134 постра-
давших, подвергшихся комбинированным поражениям при боль-
ших дозах облучения — от 1 до 16 Гр, полученных аварийным пер-
соналом буквально в первые часы после взрыва.
23.3.2.2. ОТДАЛЕННЫЕ РАДИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
Злокачественные новообразования
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. Это связывают с мито-
тической активностью ЩЖ, крайне высокой в детстве и мини-
мальной после 20 лет (табл. 23.2). Существенно, что, несмотря на
более агрессивное (по сравнению со взрослыми) течение рака у де-
тей, прогнозы у них значительно благоприятнее.
495
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
Основной причиной рака ЩЖ в результате Чернобыльской
аварии считается воздействие радиоактивных изотопов йода, вы-
брошенных в атмосферу во время взрыва. К настоящему времени
среди лиц, которым во время облучения не исполнилось 18 лет, на-
чиная с 1990 г. и по 2002 г. включительно, зарегистрировано более
1800 случаев рака ЩЖ. Приводимые цифры касаются популяции в
9 млн человек на Украине, 1,3 млн человек в Белоруссии и 300 тыс.
в России. Это увеличение во всех трех странах примерно было че-
тырехкратным. В большинстве случаев имел место папиллярный
рак, который в прогностическом отношении наиболее благоприя-
тен.
Заключение о радиационной природе выявленного в загряз-
ненных районах за 17 лет резкого увеличения заболеваемости ра-
ком ЩЖ остается справедливым, несмотря на существование
многих неопределенностей. Главные из них касаются использо-
вавшихся при расчетах базисных уровней заболеваемости, а также
влияние скрининга. Все равно число выявленных случаев рака
ЩЖ значительно превысило прогностически ожидавшееся на ос-
новании предыдущих наблюдений. Это отчасти обусловлено таки-
ми факторами, как молодой (преимущественно детский) возраст
во время облучения, дефицит йода, недоучет роли короткоживу-
щих изотопов 1321, 1331 и1351, а также (и может быть, в основном) от-
сутствие или запоздалая и плохо организованная йодная профи-
лактика. Последняя была предусмотрена соответствующими ин-
струкциями, которые игнорировались местными профессиональ-
но неподготовленными медицинскими работниками.
К другим неопределенностям относятся примеры необъясни-
мых различий в частоте рака ЩЖ при одинаковых или близких до-
зах в одних и тех же регионах и, особенно, при сравнении данных
разных стран. Удивление вызывает также раннее (в первые пять
лет после аварии) появление большого числа заболевших, по-
496
скольку считалось, что латентный период для этого вида рака со-
ставляет не менее 10 лет. В Японии, например, самая высокая сте-
пень риска рака ЩЖ была отмечена через 25—29 лет после облуче-
ния и даже через 40 лет риск остается повышенным. Именно эти
данные поставили вопрос о возможном влиянии возросшей онко-
логической настороженности медицинских работников и усилен-
ного скрининга на диагностирование рака ЩЖ в связи с небыва-
лым для этих мест насыщением приобретенной благодаря между-
народной помощи современной диагностической аппаратурой.
Скрининг выявлял бессимптомные новообразования и, как
следствие, резкое увеличение статистики рака ЩЖ приводило как
бы к сокращению латентного периода. Косвенно об этом свиде-
тельствует крайне низкая смертность оперированных пациентов
(0,3—0,6%). Это говорит не только о применении самых современ-
ных методов комплексного лечения (тем более что во многих слу-
чаях были зарегистрированы и инфильтративные формы опухоли,
а также метастазы), но одновременно и о выявлении рака на самых
ранних стадиях. По многочисленным международным данным,
смертность от рака ЩЖ колеблется от 3 до 18%, в зависимости от
времени выявления опухоли, ее гистологической и клинической
форм, возраста больного и метода лечения. Согласно многолетне-
му опыту Российского онкологического центра им. Н.Н. Блохина
РАМН, показатели смертности среди взрослых и детей колеблют-
ся соответственно от 5 до 10 и от 3 до 5%. Это понятно, если учесть,
что многие больные поступают в стационар на поздних стадиях за-
болевания.
С большой осторожностью следует подходить и к оценке появ-
ляющихся сообщений о якобы повышении числа заболевших ра-
ком ЩЖ среди ликвидаторов аварии, если учесть, что медицин-
ское наблюдение за ними во всех трех странах намного активнее,
чем за населением в целом. Не подтверждены такие данные среди
ликвидаторов Эстонии и Литвы, а также среди украинских, рус-
ских и белорусских эмигрантов в Израиль. Наконец, об этом же
свидетельствуют и данные литературы. Так, например, не зареги-
стрировано повышения уровня риска заболеваемости раком ЩЖ
у 34 тыс. пациентов, получавших 131 I с диагностической целью,
94% из которых были старше 20 лет.
По данным национальных регистров, увеличение заболевае-
мости раком ЩЖ в последнее время, по-видимому, приостанови-
лось. Однако с учетом японского опыта нельзя исключить возрас-
тания заболеваемости в последующие годы, что определяет необ-
ходимость продолжения тщательного мониторинга.
497
Лейкозы
Радиациационно-индуцированные лейкозы — наиболее ран-
ние виды злокачественных новообразований, проявляющиеся уже
в первые 2—3 года после облучения, а максимальная частота их ре-
гистрируется через 4—6 лет (см. гл. 17). Число случаев заболевае-
мости лейкозом в СССР, в том числе и в затронутых аварией рес-
публиках, постоянно росло еще до аварии. Поэтому для правиль-
ной интерпретации послеаварийных исследований этот исходный
тренд необходимо тщательно исследовать, но, к сожалению, в
большинстве выполненных работ таких исследований не прово-
дилось. В связи с этим попытки дать количественные оценки рис-
ка оказываются несостоятельными.
В большом числе методологически грамотно выполненных ра-
бот во всех трех странах не установлено повышение риска заболе-
ваемости лейкозами среди населения загрязненных районов, а
также не найдено каких-либо различий в их числе при разных
уровнях радиоактивного загрязнения. Не обнаружен дополни-
тельный рост лейкозов в эстонской когорте ликвидаторов числен-
ностью 4 833 человека, сформированной в полном соответствии с
современными требованиями. В рамках проекта Сасакавы при об-
следовании к концу 1994 г. из 86 798 детей, которым на момент ава-
рии было меньше 10 лет, выявлено 4 случая злокачественных но-
вообразований органов кроветворения без какой-либо корреля-
ции с уровнем радиоактивного загрязнения среды или с содержа-
нием радиоактивных нуклидов в организме.
Итак, согласно международным оценкам, тщательный анализ
проведенных исследований позволяет прийти к выводу, что хотя
лейкозы являются наиболее ранним радиационно-индуцирован-
ным канцерогенным эффектом, их роста, обусловленного воздей-
ствием аварийного облучения, не обнаружено ни у ликвидаторов,
ни среди жителей загрязненных местностей.
Солидные формы опухолей
Отечественными специалистами и международными экспер-
тами проанализированы многочисленные данные изучения забо-
леваемости различными солидными злокачественными новообра-
зованиями (кроме рака ЩЖ) как среди ликвидаторов, так и жите-
лей загрязненных территорий всех трех затронутых аварией стран.
498
Анализ показал, что среди жителей загрязненных территорий
вообще не выявлено увеличения риска. Не обнаружено его и среди
ликвидаторов, если не считать противоречивые оценки, получен-
ные в разных странах, по причинам методологического несовер-
шенства проводимого анализа. В исследованиях, проведенных в
странах Европы, также не наблюдали увеличения онкологической
заболеваемости или смертности, которые можно было бы отнести
на счет аварии.
Возможными объяснениями, почему до сих пор не отмечено
связанных с аварией радиационно-ассоциированных раков, могут
быть неверная оценка доз, пролонгированный характер облучения
и, наконец, относительно небольшой интервал времени после об-
лучения. Как видно из графика на рис. 23.3, построенного
У. К. Синклером на основании заболеваемости японцев, через два
года после взрыва начинают появляться лейкозы, достигая макси-
мума через 6—7 лет, а затем их частота постепенно уменьшается и к
25 годам риск лейкозов приближается к нулю. Солидные опухоли
начинают развиваться через 10 лет после облучения, в последую-
щие годы (до 40 лет и более) частота их нарастает, но и сегодня мы
не располагаем достаточной информацией, позволяющей завер-
шить кривую.
На рис. 23.4 схематически представлены начальные сроки ре-
гистрации лейкозов и шести видов солидных опухолей и их риски
в течение 40-летнего наблюдения. Видно, что, во-первых, превы-
шение риска некоторых видов злокачественных опухолей начина-
ет наблюдаться только через 20 (рак молочной железы и рак лег-
ких) и даже 30 (рак толстого кишечника и множественные миело-
мы) лет после бомбардировки. Во-вторых, риск всех злокачествен-
Рис. 23.3. Вероятность появления радиационно-индуцированных
онкологических заболеваний во времени после острого облучения
(по У.К.. Синклеру, 1984)
499
Время после облучения, годы
Рис. 23.4. Сроки регистрации повышения риска лейкозов и солидных
опухолей у переживших бомбардировки Хиросимы и Нагасаки
(по И. Шигемацу, 1993):
---латентный период; — период предполагаемого повышения заболеваемости,
—ла. _ период регистрируемого повышения заболеваемости
ных новообразований, включая лейкозы, сохраняется и через
40 лет после облучения. Следует иметь в виду, что в абсолютных
величинах частота заболеваемости в эти сроки весьма незначи-
тельна.
Приведенные данные о большой продолжительности латент-
ных периодов для некоторых видов опухолей, а также длительные
сроки сохранения повышенных рисков, наблюдаемые в японской
когорте, свидетельствуют о том, что и после аварии на ЧАЭС в бу-
дущем нельзя исключить возможности незначительного увеличе-
ния числа солидных опухолей среди ликвидаторов и населения,
получивших относительно более высокие дозы. Учитывая боль-
шую научную значимость данных о радиационном канцерогенезе
500
при низких уровнях облучения, исследованиям в данном направ-
лении должно быть уделено особое внимание. При этом тщатель-
ному изучению должна подвергаться не только исследуемая, но и
контрольная популяция, не подвергавшаяся радиационному воз-
действию.
Соматические расстройства здоровья
В обществе большую тревогу вызывают продолжающиеся до
последнего времени сообщения о росте самых различных сомати-
ческих расстройств здоровья, а также общей заболеваемости среди
ликвидаторов и жителей загрязненных территорий, что обычно
рассматривают исключительно как последствия облучения в ма-
лых дозах, не учитывая влияния других вредных факторов аварии
нерадиационной 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 незлокаче-
ственных заболеваний ЩЖ. В проведенных оценочных работах,
включая обширные скрининговые исследования в период
1991—1996 гг., охватившие 160 тыс. детей, не достигших к моменту
облучения 10-летнего возраста, не выявлено увеличения риска ги-
пертиреоза, гипотиреоза или зоба, которое можно было бы связать
с радиационным воздействием. Не обнаружено также (в отличие
от результатов отдельных небольших работ) увеличения уровня
тиреоидных аутоантител.
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 насе-
ления в загрязненных и в контрольных районах, однако их нельзя
отнести только к влиянию облучения. Этот вывод остался справед-
ливым и в настоящее время. Так, например, гематологическое ис-
следование 118 773 детей, проведенное по специальной программе
в пяти международных центрах Белоруссии, России и Украины,
показало, что частота гематологических нарушений не зависела от
уровня загрязнения местности 137 Cs на момент аварии или на вре-
мя обследования или от его концентрации в организме.
В ряде исследований сообщается об ухудшении здоровья и рос-
те числа заболеваний сердечно-сосудистой, пищеварительной,
нервной, эндокринной и костно-мышечной систем на загрязнен-
501
ных территориях по сравнению с теми же показателями у населе-
ния «чистых» районов и всего населения соответствующих стран.
Отмечена также повышенная частота психических расстройств,
случаев потери трудоспособности и инвалидности. Эти результа-
ты, однако, по разным причинам не поддаются однозначному тол-
кованию.
Во-первых, на местах далеки от совершенства регистрация, а
следовательно, и статистика заболеваемости. Более того, были об-
наружены факты больших (в 5 раз и более) различий в частоте од-
них и тех же заболеваний за один и тот же период времени, в одних
и тех же регионах одними и теми же работниками, но в разных со-
общениях (!).
Во-вторых, полученные результаты, хотя бы частично, могут
быть объяснены более активным наблюдением за подвергшимся
облучению населением.
В-третьих, есть все основания для того, чтобы связать увеличе-
ние заболеваемости с обусловленными аварией экономическими
трудностями, психосоциальной травмой и стрессом.
Психологические и иные последствия аварии
Авария привела к долговременным изменениям в жизни лю-
дей, проживавших в загрязненных районах, поскольку меры по
снижению уровней излучения включали переселение, изменения
в поставках продовольствия и ограничения в повседневной дея-
тельности отдельных лиц и целых семей. Эти события сопровож-
дались большими экономическими, социальными и политически-
ми переменами в затронутых аварией странах, вызванными распа-
дом 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.
Крайне сложными и трудными были решения о переселении
людей, которые чувствовали себя незащищенными, а доверие к
научному, медицинскому и политическому руководству из-за его
лживого поведения в первые дни аварии было полностью утраче-
но. Отечественных профессионалов и международных экспертов,
пытавшихся разъяснить реальную картину рисков и успокоить
людей, воспринимали как вообще отрицающих риск, что усилива-
ло недоверие и страх. Распространенное беспокойство, вызванное
загрязнением окружающей среды, неправильно рассматривали
502
как радиофобию. На самом деле оно отражало опасение реальной
угрозы, которую трудно измерить и локализовать, ибо ключевым
фактором в восприятии риска является вопрос о том, в какой сте-
пени этот риск можно контролировать.
В процессе широкого изучения психологических последствий
аварии сообщалось о таких симптомах, как головная боль, нару-
шение сна и эмоционального равновесия, неспособность концен-
трировать внимание. Убежденность многих людей в том, что наи-
более вероятной причиной их плохого здоровья является длитель-
ное облучение в малых дозах, могла вызвать или усилить их недомо-
гание. К сожалению, этому способствовали противоречащие миро-
вому научному и практическому опыту «оригинальные» представ-
ления большой группы отечественных ученых об особой вредно-
сти для здоровья малых доз, особенно в условиях хронического
воздействия.
Посттравматический стресс любого происхождения является
устоявшейся категорией в психиатрической диагностике; он
включает ночные кошмары и навязчивое переживание травмиро-
вавшего события, в данном случае, самого факта облучения. Со-
циальные и экономические лишения людей, проживающих в за-
грязненных районах, усиливали их реакцию на стрессорные факто-
ры, однако при этом не отмечалось корреляции с уровнем загрязне-
ния. Самооценка этих людей оказывается низкой, отмечается ухуд-
шение состояния здоровья, они не способны решать сложные со-
циальные и экономические проблемы, а их неудовлетворительная
психологическая адаптация еще больше обостряется. Кроме того,
это способствует развитию алкоголизма и употреблению наркоти-
ков. Склонность объяснить все проблемы аварией ведет к бегству
от жизни, к «приобретенной опытом беспомощности», нежела-
нию сотрудничать, иждивенчеству и убеждению в том, что эти
проблемы обязаны решать система социального обеспечения и
правительство.
В большой степени все перечисленное относится и к ликвида-
торам, особенно к не имевшим ранее профессиональных контак-
тов с ионизирующим излучением. В результате в такой популяции
населения и среди ликвидаторов имеются свидетельства повы-
шенной частоты несчастных случаев (травм, дорожных происше-
ствий, самоубийств, алкогольных отравлений и внезапных смер-
тей по невыясненным причинам) по сравнению с населением не
затронутых аварией областей.
503
В результате специального детального исследования этих во-
просов группой Санкт-Петербургских ученых1 неудачный термин
«радиофобия» заменен на емкое понятие «радиотревожность», ко-
торую характеризуют следующие показатели:
— уровень субъективных оценок опасности радиации (крите-
рий — опасность радиационного воздействия для собственного
здоровья);
— состояние информационной среды (критерии — частота и
достоверность публикаций о биологическом действии радиации в
специальной литературе и СМИ);
— уровень радиационно-гигиенических знаний населения
(критерий — научно обоснованное понятие «радиация» и ее свой-
ства).
Одним из главных конечных и интегральных показателей со-
стояния здоровья населения, используемых при любых эпидемио-
логических исследованиях, является статистика смертности, о
значительном повышении которой, как следствии аварии, систе-
матически появлялись сообщения в разных средствах информа-
ции. На самом деле, согласно данным специальных национальных
регистров, ни среди ликвидаторов, ни среди населения ни на од-
ной из затронутых аварией административных территорий показа-
тели смертности не превышали показателей для населения в це-
лом.
Итак, по прошествии 17 лет после Чернобыльской аварии не
имеется свидетельств серьезного влияния ее радиационного фак-
тора на здоровье абсолютного большинства людей. Исключение
составляет значительно большее прогнозируемого увеличение
рака ЩЖу лиц, находившихся во время облучения в детском воз-
расте. Не отмечено пока и увеличения общей заболеваемости зло-
качественными новообразованиями или смертности от них, кото-
рое можно было бы отнести за счет радиационного воздействия ни
у населения, ни у ликвидаторов, получивших большие, чем насе-
ление, дозы облучения. До сих пор не зарегистрировано ни одного
случая радиационно-ассоциированных наследственных заболева-
ний или врожденных пороков развития. Нет научно обоснован-
ных данных о возрастании частоты соматических заболеваний не-
злокачественного характера. Наблюдающиеся множественные
1 Зыкова И.А., Архангельская Г.В., Звонова И.А. Чернобыль и социум: оценка
риска,—Санкт-Петербург, 2001. 128 с.
504
проявления расстройства здоровья имеют психосоциальную при-
роду.
Говоря о возможных отдаленных радиологических последст-
виях, следует иметь в виду, что кроме лиц, находившихся в момент
аварии в детском возрасте и заболевших раком ЩЖ, ликвидаторы
являются единственной группой, в которой были получены доста-
точно большие дозы, что может привести хотя и к маловероятно-
му, но статистически выявляемому увеличению уровня риска со-
лидных форм рака, имеющих наиболее длительный латентный пе-
риод. Этим определяется необходимость проведения соответствую-
щих эпидемиологических исследований, организация которых тре-
бует, однако, тщательного высококвалифицированного монито-
ринга.
Итак, основной вывод, вытекающий из анализа медицинских
последствий Чернобыльской аварии, совпадающий с заключени-
ем «Отчета НКДАР-2000», состоит в следующем.
Преобладающее большинство затронутого аварией населения
не должно жить в страхе, опасаясь серьезных последствий для здо-
ровья. По большей части эти люди подверглись облучению в дозах,
несколько превышающих природный фон. При этом уровни облу-
чения постоянно снижаются по мере распада радионуклидов. Ава-
рия резко нарушила порядок жизни людей, а для многих из них
имела трагические последствия. Однако с позиций радиологиче-
ской науки, а также сделанных экспертных оценок следует, что в
отношении здоровья большинства людей должны преобладать
благоприятные перспективы.
РЕЗЮМЕ
• Следует отличать радиационные аварии от других собы-
тий, связанных с последствиями произвольного неконтроли-
руемого облучения людей.
• Существуют два вида медицинских последствий радиаци-
онных аварий — радиологические, обусловленные воздейст-
вием облучения, и соматические расстройства здоровья нера-
диационной природы.
• Радиологические последствия в виде детерминирован-
ных клинически значимых эффектов проявляются в ранние
сроки после облучения при достижении определенного дозо-
вого порога; при низких уровнях облучения, что характерно
для большинства затронутого аварией населения, радиологи-
505
ческие последствия сводятся к отдаленным стохастическим
эффектам.
• Детерминированные последствия аварии на Чернобыль-
ской АЭС проявились в виде острой лучевой болезни всех сте-
пеней тяжести, частично со смертельными исходами, а стохас-
тические — в виде резкого увеличения рака щитовидной желе-
зы у детей, бывших на момент облучения в возрасте менее
10 лет.
• Соматические эффекты аварии на ЧАЭС в виде множест-
венных расстройств здоровья имеют психосоциальную приро-
ду и не могут рассматриваться как непосредственный результат
облучения.
• В отношении здоровья абсолютного большинства людей,
затронутых Чернобыльской аварией, а также их потомства пре-
обладает благоприятный прогноз.
/-> А ГЛАВА
Zt- научные основы регламентации
ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Соотношение опасности и пользы ионизирующих излучений
Международная и национальная структура органов радиа-
ционной защиты
Концепция биологического риска и ее роль в оценке послед-
ствий облучения по сравнению с риском от нерадиационных
агентов
Детерминированные и стохастические эффекты облучения
Регламентация радиационного воздействия в России
Эволюция рекомендаций МКРЗ
Нормирование или регламентация ионизирующих излучений
является главной составляющей разработки мер радиационной за-
щиты, состоящей в минимизации вредных последствий облучения
на здоровье человека.
Правомерно ли, однако, в принципе говорить о нормировании
радиационного фактора, если его вредное биологическое действие
общеизвестно, а об индифферентности и тем более о положитель-
ных эффектах минимальных уровней облучения нет единой точки
зрения?
На поставленный вопрос следует без всяких сомнений отве-
тить утвердительно, даже если отбросить его вторую, пока не все-
ми признанную часть, и заведомо исходить из признания только
вредных последствий облучения. Отсутствие альтернативы в ре-
шении этого вопроса объясняется, во-первых, неизбежным пре-
быванием живого мира на всем протяжении его существования в
условиях постоянного воздействия радиационного фона (см. гл. 22),
а во-вторых, — постоянным расширением радиационных контак-
тов человека в связи с бурным техническим прогрессом.
Поэтому ионизирующее излучение, как и любые другие агенты
внешней среды нерадиационной природы, окружающие человека
в повседневной жизни и зачастую не только не безразличные, но и
заведомо вредные, требуют разумного нормирования и узаконен-
ной системы регламентации. Другими словами, должны быть
обеспечены необходимые меры радиационной безопасности для ра-
507
ботающих с источниками ионизирующих излучений (профессио-
налов), всего населения и объектов окружающей среды.
Под радиационной безопасностью понимают комплекс науч-
но обоснованных мероприятий по обеспечению защиты от воз-
действия ионизирующего излучения, включающий: разработку
критериев оценки опасности ионизирующего излучения для от-
дельных групп людей, а также популяции в целом и природных
объектов окружающей среды; способы и методы оценки радиаци-
онной обстановки, ее контроля и прогнозирования; проектные,
технические, медико-санитарные и организационные мероприя-
тия, обеспечивающие безопасные для здоровья условия использо-
вания ионизирующего излучения в сфере деятельности человека.
24.1. Вопросы терминологии
Среди последствий неблагоприятного действия ионизирую-
щих излучений четко установить связь ущерба здоровью с дейст-
вием именно радиации можно лишь в отношении лучевой болез-
ни, которой присущ характерный только для нее симптомоком-
плекс. 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 рас-
сматриваются как высокие, непременно сопровождающиеся пре-
ходящим или постоянным ущербом для здоровья. При более низ-
ких 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 от-
клонения от нормы в облученных и контрольных группах. При
этом чем ниже доза, тем меньше превышение над «базовым»,
спонтанным уровнем заболеваемости и тем труднее оно выявляет-
ся, так как спонтанный уровень подвержен существенным колеба-
ниям. Например, заболеваемость определенными видами злока-
чественных новообразований широко варьирует в разных регио-
нах одной и той же страны, меняется от одной национальной груп-
пы к другой (это связано, например, с привычками в питании),
имеет выраженный временной тренд (возрастает число заболева-
ний, обусловленных курением, снижением деторождения и т. д. и
508
снижается число других видов онкологических заболеваний). Ши-
роко варьирует среди отдельных групп населения и частота поро-
ков развития.
Образцовым примером эпидемиологических исследований
является японская когорта «Пожизненного исследования» (назы-
ваемая также когортой «Изучения продолжительности жизни»,
Life span study), описанная в гл. 17.2.2 и 17.2.3. Подбор контроль-
ной когорты в такого рода исследованиях производится так, чтобы
лица в ней совпадали по всем показателям с лицами изучаемой ко-
горты, за исключением фактора облучения.
В столь обширном исследовании, включавшем на начальном
этапе более 80 тыс. облученных лиц, удалось выявить нижнюю
границу статистически значимого увеличения заболеваемости над
фоновым уровнем. Нижней границей таких доз, рассматриваемых
как «промежуточные» между дозами, ущерб здоровью при которых
не определяется даже в столь обширных исследованиях, и дозами,
ущерб здоровью от которых не вызывает сомнения, по представле-
ниям разных авторов, является 0,2 или 0,1 Зв. В данной книге, с
позиций безопасного применения радиации, в качестве нижней
границы промежуточных доз принята величина 0,1 Зв1.
Эквивалентные дозы острого облучения менее 1 Зв, или протя-
женного облучения мощностью 0,1 Зв/год и ниже (при условии,
что доза, полученная на протяжении жизни, не превзойдет 1 Зв)
рассматриваются как низкие (о них принято также говорить, как о
низких уровнях облучения).
Низкие уровни облучения представляют особый интерес в
связи с тем, что именно такие дозовые нагрузки получает населе-
ние и подавляющее большинство профессионалов в штатных ус-
ловиях использования техногенных источников излучения. Более
того, даже после крупных радиационных аварий дозовые нагрузки
подавляющего большинства жителей затронутых аварией терри-
торий не превышают указанный предел. В данном диапазоне низ-
ких уровней облучения не выявляются статистически достоверные
отличия над фоновым уровнем в распространенности (частоте)
стохастических эффектов — злокачественных новообразований и
генетических последствий, врожденных уродств, а тем более де-
терминированных эффектов и других нарушений здоровья.
1 Следует обратить внимание на переход с единиц поглощенной дозы в греях
на использование единиц эквивалентной и эффективной дозы — зивертов; сами
понятия эквивалентной и эффективной дозы будут рассмотрены далее.
509
Современные биохимические, биофизические методы и лабо-
раторные исследования и при этих низких уровнях облучения чет-
ко выявляют следы воздействия радиационного фактора, что
вполне естественно, так как клетка, в которой происходят процес-
сы ионизации, выступает в роли физического дозиметра. Однако
ни одно из выявляемых изменений не свидетельствует об ухудше-
нии здоровья.
24.2. Международная деятельность в области
радиационной защиты
Проблема защиты населения от действия ионизирующих излу-
чений имеет глобальный характер, а потому соответствующие на-
учно-исследовательские и организационные мероприятия разра-
батываются международными организациями, рекомендации ко-
торых используются отдельными странами при составлении соб-
ственных национальных регламентов.
Первый международный акт такого рода был предпринят в
1928 г., когда на 2-м Международном радиологическом конгрессе
в Стокгольме был создан Комитет по защите от рентгеновских лу-
чей и радия. В 1950 г. Комитет был реорганизован в Международ-
ную Комиссию по радиологической защите (МКРЗ). В 1956 г.
МКРЗ вступила в организационные отношения со Всемирной ор-
ганизацией здравоохранения (ВОЗ) в качестве «неправительствен-
ной соучаствующей организации». Согласно уставу, МКРЗ анали-
зирует и обобщает все достижения в области защиты от ионизи-
рующих излучений и периодически разрабатывает соответствую-
щие рекомендации, исходя из основных научных принципов. В
декларациях МКРЗ подчеркивается, что она предоставляет нацио-
нальным комиссиям по защите от излучений отдельных стран пра-
во и ответственность за применение рекомендуемых в ее публика-
циях инструкций или правил соответственно внутригосударствен-
ным условиям. Такая комиссия по радиационной защите (РНКРЗ)
существует и в России.
МКРЗ в настоящее время состоит из главной комиссии и четы-
рех комитетов, состав которых обновляется один раз в четыре года.
В число членов МКРЗ входят и представители России. Членом
Главной комиссии МКРЗ в период с 1993 по 2001 г. был академик
РАМН Л.А. Ильин, а с 2001 г. этот пост занимает академик РАСХН
Р.М. Алексахин.
510
МКРЗ тесно сотрудничает с Международной комиссией по ра-
диационным единицам и измерениям (МКРЕ).
В 1955 г. при ООН организован Научный комитет по действию
атомной радиации (НКДАР), осуществляющий сбор и анализ ме-
ждународной информации о различных аспектах действия иони-
зирующих излучений на живые организмы. НКДАР периодически
получает задания от Генеральной Ассамблеи ООН и осуществляет
их выполнение, привлекая для этих целей МКРЗ, МКРЕ и другие
организации в тесном сотрудничестве с ВОЗ. Изучением послед-
ствий облучения занимается и американский Комитет по биоло-
гическому действию ионизирующих излучений (BEIR).
Все перечисленные международные организации в своих пуб-
ликациях и других документах предлагают лишь рекомендации по
основным принципам регламентирования действия радиации, а
также обосновывают проблемы, нуждающиеся в дальнейшей науч-
ной разработке. Эти рекомендации не являются обязательными для
принятия в законодательные акты и документы отдельных стран.
Существует еще одна международная организация — Между-
народное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), курирующая
вопросы, связанные с радиационной безопасностью на всех этапах
работ по мирному использованию атомной энергии. МАГАТЭ яв-
ляется официальной организацией ООН, и все страны — члены
МАГАТЭ — обязаны выполнять утвержденные ею официальные
нормы и правила обращения с источниками ионизирующих излу-
чений, если возникающие при этом вопросы касаются межгосу-
дарственных отношений.
Наиболее представительной и авторитетной международной
организацией, обобщающей и анализирующей научные данные
по действию ионизирующих излучений на организм человека и
человечество в целом, является НКДАР ООН. В плане подготовки
конкретных рекомендаций для разработки национальных стан-
дартов и регламентов при работе с ионизирующими излучениями
такой организацией является МКРЗ, а в плане официальных меж-
дународных соглашений по вопросам использования атомной
энергии — МАГАТЭ.
24.3. Регламентация радиационного воздействия
в России
Вопросами гигиенического нормирования (регламентации)
ионизирующих излучений в России занимается научная комиссия
по радиационной защите, действующая в качестве консультатив-
511
ного органа при РАМН. Она объединяет ведущих ученых страны,
работающих в области радиационной защиты, и в настоящее вре-
мя (2004 г.) возглавляется академиком РАМН А.Ф. Цыбом. В
функции РНКРЗ входит инициирование, обобщение и анализ оте-
чественных и зарубежных исследований по вопросам обеспечения
радиационной безопасности в различных отраслях деятельности
человека, а также систематическое совершенствование законода-
тельных актов, регламентирующих радиационное воздействие на
человека и окружающую среду.
В 1953 г. в Советском Союзе были опубликованы первые «Са-
нитарные правила и нормы при работе с радиоактивными изото-
пами», которые с учетом достижений науки и практики постоянно
дополнялись и совершенствовались. К 2004 г. существуют следую-
щие основные регламентирующие документы:
1. Федеральный закон «О радиационной безопасности населе-
ния» — ФЗ № 3 от 09. 01.1996 г.
2. Федеральный закон «О санитарно-эпидемиологическом
благополучии населения» — ФЗ №52 от 30.03.1999 г.
3. «Основные санитарные правила обеспечения радиационной
безопасности» — ОСПОРБ-99.
4. «Нормы радиационной безопасности» — НРБ-99.
НРБ-99 (далее — Нормы) являются основополагающим доку-
ментом, регламентирующим требования Федерального закона «О
радиационной безопасности населения» в форме основных преде-
лов доз, допустимых уровней воздействия ионизирующего излуче-
ния и других требований по ограничению облучения человека.
Требования и нормативы, установленные Нормами, являются
обязательными для всех административных органов и граждан
Российской Федерации, а также проживающих на ее территории
иностранных граждан.
Нормы устанавливают, что обеспечение радиационной безопас-
ности основывается на трех принципах:
Принципе нормирования — непревышении допустимых преде-
лов индивидуальных доз облучения граждан от всех источников
излучения.
Принципе обоснования — запрещении всех видов деятельности
по использованию источников излучения, при которых получен-
ная для человека и общества польза не превышает риск возможно-
го вреда, причиненного дополнительным облучением.
Принципе оптимизации — поддержании на возможно низком и
достижимом уровне, с учетом экономических и социальных фак-
торов, индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц.
512
Нормы распространяются на облучение человека:
— в условиях нормальной эксплуатации техногенных источ-
ников излучения;
— в результате радиационной аварии;
— от природных источников излучения;
— при облучении в медицинских целях.
В Нормах, относящихся к ионизирующему излучению, учтено,
что излучение является одним из множества источников риска для
здоровья человека и что риски, связанные с воздействием излуче-
ния, должны не только соотноситься с выгодами от его использо-
вания, но и сопоставляться с рисками нерадиационного происхо-
ждения.
24.3.1. КАТЕГОРИИ ОБЛУЧАЕМЫХ ЛИЦ, ДОЗОВЫЕ ПРЕДЕЛЫ,
ЭФФЕКТИВНАЯ И ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗЫ
Для нормальных условий эксплуатации источников излучения
установлены три категории облучаемых лиц: персонал, подразде-
ляемый 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 ос-
новные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни об-
лучения, для персонала группы Б равны 1/4 значений для персона-
ла 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 об-
лучения.
Допустимые уровни монофакторного воздействия (для одного
радионуклида, пути поступления или одного вида внешнего облу-
чения), являющиеся производными от основных пределов доз:
пределы годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые
объемные активности (ДОА) и среднегодовые удельные активно-
сти (ДУА) и др.
Контрольные уровни (дозы, уровни, активности, плотности по-
токов и др.). Их значения должны учитывать достигнутый в орга-
низации уровень радиационной безопасности и обеспечивать ус-
ловия, при которых радиационное воздействие будет ниже допус-
тимого.
513
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 пе-
риод трудовой деятельности (50 лет) 1000 мЗв, а для населения за
период жизни (70 лет) — 70 мЗв. Начало периодов вводится с 1 ян-
варя 2000 г.
Для женщин в возрасте до 45 лет, работающих с источниками
излучения, вводятся дополнительные ограничения: эквивалент-
ная 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 невыделенной беременности не превысит 1 мЗв.
Для сравнения приведем дозы, получаемые жителями Москвы
за одну рентгенодиагностическую процедуру в 1999 г.: при рентге-
нографии — 1,33 мЗв; рентгеноскопии — 5,02 мЗв; флюорогра-
фии — 0,6; компьютерной томографии — 3 мЗв. Наибольшую
дозу человек получал при обзорной рентгенографии почек и уро-
графии — 46 мЗв. В среднем на одного жителя эффективная годо-
вая доза составила 2 мЗв.
Основные дозовые пределы приведены в единицах эквива-
лентной дозы (Зв), используемой при радиационном нормирова-
нии и оценке опасности хронического воздействия ионизирующе-
го излучения произвольного состава. Эквивалентную дозу (Н) в ор-
гане или ткани определяют из уравнения Н— D WR где D — сред-
няя поглощенная доза в органе или ткани, a WR — взвешивающий
коэффициент для излучения R. При воздействии нескольких ви-
дов 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.
514
Вид излучения
Фотоны любых энергий.................................
Электроны и мюоны* любых энергий.....................
Нейтроны с энергией менее 10 кэВ.....................
Нейтроны с энергией от 10 до 100 кэВ.................
Нейтроны с энергией от 100 кэВ до 2 МэВ..............
Нейтроны с энергией более 20 МэВ.....................
Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи.
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра.........
Взвешивающий
коэффициент
1
1
5
10
20
10
5
20
*Мюоны — элементарные заряженные частицы с массой около 207 электронных масс —
мю + и ц-мезоны.
Как видим, здесь отражены описанные ранее в гл. 7 и 9 разли-
чия в эффективности редко- и плотноионизирующих излучений,
особенно ярко проявляющиеся в области малых доз радиации.
Понятия эквивалентной дозы и взвешивающие коэффициен-
ты применяют только для целей радиационной защиты при низ-
ких дозах излучения. При больших дозах (свыше 10 предельно до-
пустимых доз) используют поглощенную дозу, выраженную в греях,
и соответствующие рассматриваемым видам излучения коэффици-
енты ОБЭ, которые существенно меньше взвешивающих коэффи-
циентов.
Для учета различий в вероятности возникновения отдаленных
последствий облучения, которыми в области низких уровней воз-
действия являются злокачественные новообразования разных ор-
ганов и тканей, используется понятие эффективной дозы (£).
Эффективная доза представляет сумму произведений эквива-
лентной дозы в органах и тканях на взвешивающие коэффициен-
ты, но уже не для вида излучения, а для вида облучаемой ткани:
Е = ^КТНТ,
т
где Нт— эквивалентная доза в органе или ткани Т, a WT — взвеши-
вающий коэффициент для органа или ткани Т.
Единицей эффективной дозы также является зиверт (Зв).
Взвешивающие коэффициенты (WT), используемые для учета
различной чувствительности органов и тканей в возникновении
стохастических эффектов радиации, приведены ниже.
515
Орган или ткань
Гонады.............................................
Костный мозг (красный).............................
Толстый кишечник, легкие, желудок..................
Мочевой пузырь, грудная железа, печень, пищевод, щито-
видная железа .....................................
Кожа, клетки костных поверхностей..................
Остальное..........................................
Взвешивающий
коэффициент
0,20
0,12
0,12
0,05
0,01
0,05
Из выше сказанного следует, что самым большим взвешиваю-
щим коэффициентом риска отдаленных последствий обладают го-
нады. Это связано с тем, что при их облучении в половых клетках
могут возникнуть не только соматические, но и генетические эф-
фекты, а именно возрастает вероятность наследственных заболе-
ваний (при больших дозах воздействия).
Помимо перечисленных понятий, в радиационной безопас-
ности широко используются также термины годовой и коллектив-
ной эффективной, или эквивалентной доз.
Годовая эффективная (эквивалентная) доза — это сумма эф-
фективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, получен-
ной за календарный год, и ожидаемой дозы внутреннего облуче-
ния, обусловленной поступлением за этот же год в организм ра-
дионуклидов.
Коллективная эффективная доза — это мера коллективного
риска возникновения стохастических эффектов облучения, рав-
ная сумме индивидуальных коллективных доз; она измеряется в
человеко-зивертах (чел. • Зв).
В условиях радиационных аварий необходимо проводить спе-
циальные 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 вероят-
ности облучения, либо дозы, либо неблагоприятных последствий.
Кроме того, разработаны критерии для принятия неотложных ре-
шений в начальном периоде радиационной аварии, а также таких
форм вмешательства, как отселение населения и ограничение по-
требления загрязненных пищевых продуктов, и, кроме того, указа-
ны требующие вмешательства уровни хронического воздействия.
516
24.4. Дискуссионные вопросы теории и практики
регламентации облучения
Во всех публикациях МКРЗ, включая последнюю, 60-ю, за ос-
нову нормирования принимается линейная беспороговая концеп-
ция (ЛБК) действия излучения. Напомним, что отсутствие порога
принимается в первую очередь в отношении канцерогенного дей-
ствия, исходя из того, что воздействие радиации на клетку являет-
ся стохастическим, и при какой угодно малой дозе какое-то коли-
чество клеток будет поражено. Вероятностным является и процесс
полного восстановления исходной структуры ДНК пораженной
клетки, так как никогда нельзя исключить ошибочность репара-
тивного процесса. Таким образом, с одной стороны, теоретически
нельзя исключить и вероятность гибели всего организма, состоя-
щего из многих миллиардов клеток, от изменений ДНК всего в од-
ной клетке, произошедших в результате нескольких кластеров ио-
низации. Но, с другой стороны, помимо репарации ДНК, в клетке
действует и система надзора за структурой ДНК, которая при об-
наружении повреждений ДНК принуждает клетку прибегнуть к
апоптотической гибели. В периодах Gl и G2 клеточного цикла
имеется несколько сверенных точек, где проверку ДНК на повре-
ждения осуществляют белки, кодируемые различными генами
(см. гл. 6).
Таким образом, защита организма от последствий изменения
ДНК, вызванного различными причинами, имеет несколько уров-
ней. Поэтому наряду с упомянутой возможностью гибели орга-
низма от нескольких актов ионизации ДНК одной клетки можно
говорить о принципиальной возможности снижения вероятности
такого процесса до столь низкого уровня, при котором практиче-
ски существует порог дозы, ниже которого дополнительный ра-
диационно-индуцированный эффект не может быть обнаружен.
Как уже неоднократно говорилось, зависимость действия из-
лучения от дозы в диапазоне малых доз на уровне организма неиз-
вестна. В настоящее время нет фактов, на основании которых
можно было бы решить, убывают ли неблагоприятные последст-
вия 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. На-
пример, если считать, что недостаточность репарации или ее оши-
517
Доза излучения, Гр
Рис. 24.1. Типичная зависимость
частоты возникновения рака от
дозы излучения (по И. В. Фи-
люшкину, 1988):
в области наблюдения эффект реги-
стрируется четко, в области прогно-
за — требует теоретической оценки;
сплошная линия — математическая мо-
дель, аппроксимирующая наблюдаемый
участок зависимости; пунктирная —
вариант поведения математической
модели, экстраполирующей наблюде-
ния в область малых доз в зависимо-
сти от принятой априорно гипотезы
(риска или порога); Dp — пороговая
(?) доза
бочность всегда составляют определенный процент от нанесенных
ДНК повреждений, то вероятность поражения клетки сохранится
до любых, сколь угодно низких доз излучения. Но вполне возмож-
но, что процессы репарации способны полностью элиминировать
какое-то число повреждений ДНК, и недостаточность этих про-
цессов начинает проявляться только после нанесения клетке ббль-
шего числа повреждений. В этом случае последствия облучения
начнут проявляться только при дозах сверх некоторых «порого-
вых».
Применительно к канцерогенному эффекту эта ситуация на-
глядно представлена на рис. 24.1, из которого видно, что пока
нельзя отдать предпочтение ни одной из существующих моделей и
описывающим их теоретическим кривым.
В условиях, когда, с одной стороны, теория или фактические
данные не могут служить четким указанием на форму кривой
доза—эффект для различных видов ущерба здоровью в области ма-
лых доз, а с другой — человек постоянно подвергается действию
природных и техногенных источников излучения, необходимая
для законодательного обеспечения охраны здоровья регламента-
ция уровней облучения основывается на установлении некоторых
предельных значений доз, ниже которых вред, причиняемый облу-
чением, настолько мал, что становится приемлемым как для обще-
ства, так и для отдельных людей. Предел дозы выбирают на основе
опыта работы. Как известно из истории нормирования, он умень-
шался несколько раз, пока не достиг нынешнего уровня, сохра-
няющегося практически неизменным с 1955 г., причем истекшие
518
50 лет мировой практики подтвердили надежность принятой вели-
чины.
Если учесть, что канцерогенный риск малых доз радиации как
медико-биологическая категория является категорией теоретиче-
ской, то следует признать далеко не безупречным наиболее рас-
пространенный и принятый МКРЗ метод прогноза стохастиче-
ских последствий низких уровней облучения, основанный на
ЛБК. Последняя, как уже давно было отмечено [Моул Р., 1975], не
имеет достаточного теоретического обоснования, а принимаемые
на ее основе решения имеют скорее административный, а не науч-
ный характер.
Легко показать, что решение вопроса на эпидемиологической
основе невозможно из-за необходимости оперировать данными,
полученными на гигантских человеческих популяциях. Если, со-
гласно НКДАР, принять естественную заболеваемость раком за 1,
а избыточную за счет облучения — 1,25 • 10-2 Зв-1 в соответствии с
26-й публикацией МКРЗ, тогда избыточный эффект при облуче-
нии в дозе 0,01 Зв может быть зарегистрирован, если размер облу-
чаемой популяции будет больше 3,2 • 106 человек: при снижении
дозы на порядок размер популяции увеличивается на два порядка
[Лэнд К., 1981]. Вовлечение же в эпидемиологическое исследова-
ние групп такой численности, да еще достаточно однород-
ных — невыполнимая задача. Отсюда и процедура экстраполяции
к малым дозам, по существу, осуществляет переход наблюдаемой
величины риска в ненаблюдаемую и теоретически необоснован-
ную [Филюшкин И.В., 1988].
24.5. Оценка вероятных последствий облучения
и степень риска, обусловленная нерадиационными
факторами
Несмотря на экспериментальные данные, несомненно свиде-
тельствующие о зависимости проявления генетических и тем бо-
лее соматических эффектов облучения от мощности и величины
дозы, их считают недостаточными для изменения существующих
принципов нормирования, если учесть огромную ответственность
такой рекомендации перед человечеством.
519
Несовершенство наших знаний может быть наглядно проде-
монстрировано на примере трудностей, с которыми сопряжено
определение удваивающей дозы, которая при изменении мощно-
сти дозы варьирует в зависимости от пола, вида мутации (генная
или хромосомная), стадии гаметогенеза, а также от локуса к локу-
су. Поэтому в настоящее время нельзя провести строго количест-
венную оценку удваивающей дозы, которая, согласно большин-
ству исследователей, расположена в интервале от0,1 до 1 Гр.
В МКРЗ созданы рабочие группы, призванные разработать ос-
новные стандарты радиационной защиты на основе анализа
имеющейся научной информации о влиянии на генетические и
соматические реакции пролонгирования облучения во времени в
зависимости от ЛПЭ. Пока же при оценке возможных последст-
вий облучения учитывается не только степень риска, но и биоло-
гическая важность регистрируемого нарушения и вероятность его
возникновения в сравнении с реакциями на другие нежелательные
факторы, постоянно встречающиеся в процессе жизнедеятельно-
сти человека.
По-видимому, в этом плане целесообразно различать абсолют-
ный риск — частоту определенных патологических эффектов, вы-
званных воздействием изучаемого фактора, и относительный
риск — отношение частоты этих эффектов к аналогичным послед-
ствиям, вызываемым другими (известными или неизвестными)
воздействиями. Использование таких оценок позволяет опреде-
лить количественные критерии риска, способствуя более опреде-
ленному суждению об этой проблеме.
Такая точка зрения совпадает с мнением Комитета экспертов
ВОЗ, определившего, что «цель эффективной программы радиа-
ционной защиты — не только снизить радиационную опасность
за счет сокращения источников облучения, но также увеличить и
расширить применение ионизирующих излучений во всем много-
образии форм и возможных областей их использования. Решение
проблемы заключается в нахождении оптимального соотношения
известной опасности вредного воздействия и преимуществ ис-
пользования радиации в интересах человека. При этом уровень не-
избежного воздействия должен быть настолько низким, чтобы его
можно было не принимать во внимание на фоне обычных вредно-
стей в условиях современного цивилизованного общества».
В повседневной жизни человек подвергается воздействию раз-
личных факторов внешней среды, которые, став «привычными»,
могут оказаться значительно более опасными, нежели радиацион-
ные.
520
Весьма показательны в этом плане сравнительные данные,
приводимые Дж. Когглом (1983), о вероятности гибели (среднего-
довой показатель) для отдельных лиц:
Степень риска Фактор
1 из 200 Выкуривание 20 сигарет в сутки
1 из 6000 Транспортные происшествия
1 из 10 000 Несчастные случаи в быту
1 из 20 000 Несчастные случаи на производстве
1 из 30 000 Утопление
1 из 100 000 Каждые 20 мин для возраста после 60 лет;
езда в автомобиле на расстояние 50 миль;
удар молнии; 90 мин подъема в горы
Из приведенных примеров следует, что по современным оцен-
кам уровень риска возникновения радиационного поражения че-
ловека при принятых в настоящее время допустимых уровнях воз-
действия намного меньше риска от факторов нерадиационной
природы.
Вероятность сокращения продолжительности жизни на каж-
дую 0,01 Гр составляет, по-видимому, 1 10~4 средней продолжи-
тельности жизни. При средней продолжительности жизни, равной
70 годам, сокращение ее при общем облучении составляет 3 сут на
0,01 Гр, или 1 год/Гр. Следует учесть, что данная оценка может
быть завышена. Она не учитывает, в частности, результаты наблю-
дений за лицами, перенесшими атомную бомбардировку в Япо-
нии, продолжительность жизни которых не только не уменьшена,
а даже превышает соответствующие показатели среди лиц кон-
трольной когорты.
Далее, даже в соответствии с ЛБК вероятность (R) появления
злокачественного новообразования у человека, подвергшегося об-
лучению в дозе 0,01 Зв, как эффекта его облучения в эквивалент-
ной дозе (Я) выражается R = КН, где К= 1,25 • 10 "2 Зв - коэф-
фициент риска.
Следовательно, в связи с облучением в дозе 0,01 Зв вероятность
заболеть (в дополнение к вероятности, имеющейся у любого чело-
века и без дополнительного облучения) повышается на 0,000125.
Если в такой же дозе 0,01 Зв окажется облученным большой кон-
тингент численностью, например, в 1 млн человек, то в соответст-
вии с соотношением R = КН можно ожидать, что среди них поя-
вится 125 больных сверх ~ 10 ООО «спонтанно» заболевших. Однако
521
никогда нельзя предсказать, какой именно человек из облученных
лиц пострадает именно от воздействия излучения.
Таким образом, речь идет лишь об оценке вероятности осуще-
ствления этого события, являющегося исходом случайных про-
цессов.
Независимо от всего сказанного, в связи с недостаточными
знаниями механизмов стохастических эффектов, а также с явно
недостаточным опытом наблюдения за соматическими проявле-
ниями воздействия малых доз радиации (особенно радионуклидов
в разных соотношениях) на организм человека любые оценки
должны иметь надежные коэффициенты запаса.
24.6. Подготовка новых рекомендаций МКРЗ
В связи с 75-летием со дня основания МКРЗ ее председатель
Р. Кларк (2003), проанализировав эволюцию системы радиацион-
ной защиты, обосновал необходимость разработки новых реко-
мендаций, которые предполагается опубликовать в 2005 г. Адресуя
интересующихся к первоисточнику1, здесь остановимся лишь на
основных предполагаемых изменениях.
Со времени последних общих рекомендаций МКРЗ, опубли-
кованных в 1990 г., появились новые экспериментальные и эпиде-
миологические данные в области радиационной безопасности,
многие из которых служат основанием для внесения в новые реко-
мендации ряда принципиальных дополнений и изменений.
Установление стандартов защиты человека и биоты должно
достигаться без неоправданного ограничения тех рациональных
видов деятельности и образа жизни, которые ведут к облучению
или к повышению его дозы. Значительно усиливается ориентация
защиты человека на уровень индивидуума — установление зави-
симости между излучением отдельного источника и дозой облуче-
ния индивидуума. При этом признается, что коллективная доза,
являющаяся узаконенной арифметической величиной, в то же
время содержит избыточную информацию, а потому имеет огра-
ниченное использование. В частности, неверная интерпретация
коллективной дозы приводит к серьезному искажению (увеличе-
нию — примеч. авторов) прогноза стохастических эффектов и
смертельных исходов.
1 Кларк Л//Мед. радиология и радиационная безопасность. 2003. № 4. С. 26—37.
522
Отправной точкой при выборе уровней, для которых устанав-
ливаются те или иные ограничения, может быть озабоченность,
связанная с облучением в дозе, близкой к годовой эффективной
дозе от всех естественных источников, включая радон, которая, по
данным «Отчета НКДАР-2000», равна 2,4 мЗв.
Тот факт, что эффективная доза от естественного фона в гло-
бальных масштабах варьирует примерно в 10 раз и более, поддер-
живает точку зрения, согласно которой озабоченность должна
быть повышенной, начиная с верхней границы природного фона.
Ниже приведены уровни озабоченности опасностью облуче-
ния при разных индивидуальных эффективных годовых дозах.
Уровень озабоченности
Высокий...............................
Повышенный............................
Низкий................................
Очень низкий .........................
Нет озабоченности опасностью облучения
Индивидуальная эффективная
доза за год
Более 100 мЗв
Более нескольких десятков мЗв
1 — 10 мЗв
Менее 1 мЗв
Менее 0,01 мЗв
Согласно ожидаемым оценкам, уже при индивидуальной эф-
фективной дозе, превышающей 100 мЗв/год, риск от источника
излучения не может считаться оправданным, за исключением
чрезвычайных случаев, например при спасении жизни во время
аварий или в пилотируемых космических аппаратах. Индивиду-
альные дозы около 500 мЗв при остром облучении могут вызвать
ранние детерминированные эффекты или значительно повысить
вероятность возникновения онкологических заболеваний как при
остром облучении, так и в случае, если радиационное воздействие
в этой дозе охватывает несколько десятков лет.
Отдельно детально рассматривается облучение в медицинских
целях. Акцент здесь делается на оправданность медицинских про-
цедур. Ограничение дозы для отдельного пациента не рекоменду-
ется, если оно принесет больше вреда, чем пользы, вследствие
снижения эффективности диагностики или лечения.
Важное ожидаемое изменение касается отношения к вопросу о
линейности. Если ныне действующие рекомендации полностью
исходят из признания ЛБК, то в новых рекомендациях уточняется
сама беспороговая концепция, в частности границы ее примене-
ния, например, при дозах, превышающих несколько мЗв в год,
что, по сути, равносильно официальному признанию порога.
Таким образом, изменения в проекте будущих рекомендаций
МКРЗ, с одной стороны, отражают ее озабоченность, в связи с чем
523
намечается некоторое ужесточение регламентов. С другой сторо-
ны, будущие рекомендации направлены на преодоление необос-
нованно преувеличенных прогнозов стохастических эффектов
при низких уровнях облучения, что выражается в ограничении ин-
терпретации коллективной дозы и в пересмотре ЛБК с фактиче-
ским признанием пороговых значений низких уровней облучения.
РЕЗЮМЕ
• Регламентация облучения человека преследует макси-
мальное обеспечение радиационной безопасности при низких
уровнях облучения и по существу сводится к минимизации от-
даленных стохастических эффектов.
• МКРЗ является главной международной организацией,
разрабатывающей рекомендации по радиационной защите,
которые предназначены для использования национальными
комиссиями по радиологической защите в соответствии с
внутригосударственными условиями.
• В России главными регламентирующими документами
являются «Основные санитарные правила обеспечения радиа-
ционной безопасности» (ОСПОРБ-99) и Нормы радиацион-
ной безопасности (НРБ-99).
• Наиболее дискуссионным является вопрос о зависимости
частоты радиационно-индуцированного рака от дозы излуче-
ния. Если в области реального наблюдения эффект четко реги-
стрируется, то в области прогноза (при минимальных уровнях
облучения) он требует теоретической оценки. Иными словами,
канцерогенный риск при низких уровнях облучения с меди-
ко-биологических позиций остается категорией теоретической.
• Во время написания этой книги регламентация облуче-
ния претерпевает процесс эволюционных изменений в связи с
подготовкой новых рекомендаций МКРЗ, которые должны
быть опубликованы в 2005 г.
• В проекте новых рекомендаций радиационная защита че-
ловека ориентируется на уровень защиты индивидуума при
резком ограничении понятия коллективной дозы.
• Предполагается пересмотр линейной беспороговой кон-
цепции и возможных границ ее применения при уровнях излу-
чения в несколько мЗв.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ТРЕТЬЕЙ ЧАСТИ
Завершая изложение вопросов радиационной безопасности,
сделаем основные выводы:
1. Определяющую роль в обеспечении радиационной безопас-
ности человека играет регламентация облучения отдельных кате-
горий людей — профессионалов и населения — в обычной жизни,
профессиональной деятельности, а также в условиях, возникаю-
щих при неконтролируемых радиационных ситуациях, в частно-
сти при авариях.
2. Основным регламентирующим документом являются на-
циональные нормы радиационной безопасности, подготовка ко-
торых осуществляется с учетом рекомендаций МКРЗ и на основе
новейших данных радиобиологии и радиационной медицины.
3. Главная задача регламентации низких уровней облучения
состоит в минимизации отдаленных стохастических эффектов,
конкретнее — канцерогенного риска как основного вероятност-
ного реального эффекта низких уровней облучения. Существую-
щие регламенты не только обеспечивают решение этой задачи, но
и обладают большим запасом прочности.
4. В последнее время обсуждается возможность развития отда-
ленных детерминированных эффектов малых доз излучения в виде
функциональных расстройств некоторых жизненно важных сис-
тем (например, сердечно-сосудистой и ЦНС), которые, возможно,
являются следствием скрытых повреждений в клетках мало обнов-
ляющихся тканей. Этот вопрос нуждается в дальнейшем уточне-
нии.
5. До последнего времени при разработке регламентов МКРЗ, а
вслед за ней и НКРЗ, принимали за основу простую и весьма удоб-
ную линейную беспороговую концепцию (ЛБК), хотя она не имеет
серьезного научного обоснования. Консервативность этой пози-
ции МКРЗ сохраняется до последнего времени, несмотря на не-
возможность ни экспериментального, ни эпидемиологического
изучения канцерогенных эффектов при низких уровнях облуче-
ния, а также на наличие множества фактов, не подтверждающих
ЛБК. Можно полагать, что в ожидаемых к 2005 г. новых рекомен-
дациях МКРЗ вопрос о пороговости будет пересмотрен.
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
РАДИОБИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА
(ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ)
Завершая книгу, отметим, что, несмотря на прогресс общей ра-
диобиологии и особенно радиобиологии человека, много важных
вопросов либо не разрешены и остаются предметом дискуссий,
либо поставлены заново в результате развития науки последних
лет. И это совершенно естественно, так как процесс познания под-
чиняется правилу Зенона: расширение круга новых знаний неиз-
бежно сопровождается возникновением ранее неизвестных фак-
тов или явлений.
Анализ нерешенных, дискуссионных и подлежащих изучению
проблемных вопросов, а также планирование и осуществление со-
ответствующих исследований, направленных на их решение, со-
ставляет научно-практические перспективы радиобиологии. По-
пытаемся выделить главные, по нашему мнению, аспекты пробле-
мы и изложить собственную позицию в оценке некоторых дискус-
сионных вопросов. Вначале рассмотрим возможности и ограниче-
ния экстраполяции результатов экспериментальных исследований
на человека.
Радиобиология — типичная экспериментальная наука, в кото-
рой исследования осуществляются на всех уровнях биологической
организации — от молекулярного до организма. Как и в других от-
раслях медицины, изучению патогенетических механизмов луче-
вых поражений человека, а также поиску средств их ослабления и
лечения предшествует их многостороннее изучение в эксперимен-
тах на животных. Преимущество лабораторных животных состоит
в том, что они являются гомогенной популяцией с минимальной
биологической вариабельностью, что позволяет устранить влия-
ние мешающих факторов. И хотя в исследованиях на животных,
как правило, включается меньшее число особей, чем индивидов
при эпидемиологических исследованиях, преимущество первых в
том, что они выполняются в контролируемых условиях с хороши-
ми оценками дозы и возможностями воспроизведения получае-
526
мых результатов, а это служит надежной количественной основой
для принципиальных выводов.
Многочисленные примеры подобных исследований приведе-
ны в большинстве глав двух первых частей учебника. В то же время
не менее важным является анализ трудностей или запрета прямых
экстраполяций на человека многих экспериментальных данных, с
тем чтобы уберечься от опрометчивых заключений.
При описании отдаленных последствий облучения (см. гл. 17)
было показано, как резко снижается вероятность генетических на-
рушений, а потому и удваивающая доза в ряду дрозофила —
мышь — человек, в потомстве которого они пока вообще не обна-
ружены ни в одной из облученных когорт, хотя пристальное на-
блюдение уже ведется на протяжении полувека.
Данное важное явление, на наш взгляд, может быть объяснено
различным функционированием репарационных систем, которые
по сравнению с дрозофилой у мыши значительно более активны.
Это проявляется, в частности, в сильном снижении частоты насле-
дуемых мутаций у мышей при уменьшении мощности дозы (см.
рис. 17.16)1. Вполне вероятно, что у человека в процессе эволюции
такого рода неспецифический репарационный механизм ослабле-
ния вредного действия внешних агентов, включая облучение, дос-
тиг совершенства. Благодаря этому обеспечивается характерное
для человека резкое ослабление или даже отсутствие радиацион-
но-индуцируемых наследственных изменений, а может быть —
возможность долгожительства.
О возможном существовании развитого неспецифического ре-
парационного механизма у человека свидетельствуют и межвидо-
вые различия в степени радиационно-индуцированного сокраще-
ния средней продолжительности жизни (СПЖ). Сокращение
СПЖ — точный биологический показатель, отражающий возник-
новение смертельных заболеваний, повышенную частоту общих
заболеваний или их сочетание. Наиболее обширные и репрезента-
тивные данные были получены в экспериментах на мышах. В «От-
чете НКДАР-2000» приведены данные обстоятельного обзора де-
1 Данные о снижении частоты мутаций в 3 раза были получены У.Л. Расселом
при уменьшении мощности дозы от 800—900 мГр/мин до 8 мГр/мин, а ее дальней-
шее снижение до 0,007 мГр/мин не привело к уменьшению выхода мутаций. Отсю-
да автором был сделан вывод, что при еще более низкой мощности дозы дальней-
шее снижение частоты мутаций маловероятно, а следовательно, существенная доля
повреждений ДНК, приводящая к индукции наследуемых мутаций, не поддается
эффективной репарации. (Заметим, что этот вывод может быть справедлив толь-
ко для мышеи — примеч. С.П.Я.).
527
сяти работ, включающих 20 линий мышей, подвергшихся одно-
кратному рентгеновскому или у-облучению. Полученные оценки
сокращения СПЖ лежат в интервале от 15 до 61 сут на 1 Гр, при
большинстве значений между 25 и 45 сут. Среднее значение со-
ставляет 35 сут, т. е. 5 нед, или около 5% на 1 Гр. При этом в связи с
такими признаками, как поседение волос, развитие фиброзов,
нефросклероза и др., иногда говорят о «радиационном старении».
Если экстраполировать те же 5% сокращения СПЖ на человека, то
оно составит вполне значительную величину — 3—5 лет. Между
тем в находящейся под тщательным медицинским наблюдением
когорте выживших после атомной бомбардировки японцев, с од-
ной стороны, по большинству индексов возрастной инволюции до
сих пор не отмечено признаков преждевременного старения, а с
другой — отмечается тенденция к увеличению продолжительно-
сти жизни по сравнению с необлученной когортой и со средними
показателями населения Японии, являющимися, кстати, наи-
большими в мире. Не отмечено сокращения СПЖ и среди населе-
ния Южного Урала, пережившего облучение в результате масси-
рованного радиационного загрязнения водного бассейна и терри-
тории 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 сущест-
венно увеличиваться и вероятность злокачественной трансформа-
ции 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. потенциально-
го рака. Между тем рак развивается в среднем только у 20% людей в
течение их жизни, и это несоответствие до сих пор не нашло не-
противоречивого объяснения, хотя вполне логично допустить, что
ослабление вероятности реализации первичной трансформации в
новообразование у человека опять же связано с высокой функцио-
нальной активностью репарационных систем и систем клеточного
надзора.
Понимание этих благоприятных для человека отличий требует
проведения ряда направленных исследований, среди которых на-
зовем следующие:
— Сравнение вероятности развития радиационно-индуциро-
ванного рака у мышей разных линий и у человека.
528
— Сравнительное изучение передачи радиационно-индуциро-
ванных 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 сто-
хастических и нестохастических последствий облучения.
— Изучение механизма поздней реализации «консервирован-
ных» повреждений в мало обновляющихся системах организма.
— Исследование роли коммунального (абскопального) эф-
фекта радиации в проявлении различных видов лучевого пораже-
ния.
— Исследование позитивных радиационных эффектов, в част-
ности, 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.
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ
а (альфа)-член, а-компонента — первый член уравнения, с помощью
которого аппроксимируются экспериментальные точки для построения
кривой выживаемости клеток, облучаемых in vitro, по линейно-квадра-
тичной модели выживаемости, называемой также а,0-моделью; а-компо-
нента характеризует поражение клеток преимущественно на начальном
участке кривой выживаемости, в области доз излучения от 0 до несколь-
ких Гр.
0 (бета)-член, 0-компонента — второй член а,0-модели, характери-
зующий поражение клеток преимущественно при дозах излучения свыше
нескольких Гр.
— (произносится Д-ноль) и Z)37 — (произносится Д-37) — дозы из-
лучения, вызывающие снижение выживаемости клеток, определяемой по
их клоногенной способности, в 1/ераз, до 37% от исходной, на линейном
участке кривых доза—эффект, построенных в полулогарифмических ко-
ординатах.
6,-период — период клеточного цикла между образованием клетки и
началом репликации ДНК.
62-период — период клеточного цикла между окончанием синтеза
ДНК и вступлением клетки в деление.
S'-период — период клеточного цикла, в течение которого происходит
синтез ДНК; причем в каждый момент времени реплицируется только
один из участков клеточной ДНК.
Аберрации (хроматидные и хромосомные) — изменение расположения
генетического материала, его частичная утеря или приобретение нового, а
также увеличение числа его копий.
Аберрации хромосом (см. Хромосомные аберрации).
Абскопальный эффект (лат. ab — приставка, обозначающая удаление;
scopes — цель, мишень) — употребляемый в иностранной литературе тер-
мин, обозначающий биологические эффекты, регистрируемые вне облу-
ченных тканей.
Абсолютный риск (см. Риск абсолютный).
Аддитивность — результат комбинированного применения двух или
нескольких агентов, когда конечный эффект равен сумме эффектов каж-
дого из агентов, независимо от последовательности их применения.
Активность (нуклеотида) — скорость, с которой происходит распад
нуклеотида; в Международной системе единицей активности является
530
беккерель (Бк); при активности в 1 Бк в данном количестве радионуклида
происходит 1 распад в секунду; внесистемная единица активности —
кюри (Ки).
Альфа(а)-частицы — частицы, состоящие из двух протонов и двух
нейтронов, вылетающие из ядра при его радиоактивном распаде; облада-
ют энергией до 8,8 МэВ, высокой ЛПЭ и пробегом в воде в несколько де-
сятков мкм; а-частицами называют и ядра гелия, также состоящие из двух
протонов и двух нейтронов, которым на ускорителе тяжелых частиц мо-
жет быть придана энергия в сотни МэВ.
Анафаза — фаза митоза, во время которой хроматиды «материнской»
хромосомы отделяются друг от друга, превращаются в хромосомы дочер-
них клеток и направляются к полюсам деления — местам формирования
ядер дочерних клеток.
Аноксия — полное отсутствие кислорода в клетке или ткани.
Апоптоз, программируемая клеточная гибель — гибель клетки в резуль-
тате запуска специальной программы последовательной активации ряда
ферментов, последние из которых разрезают ДНК на участки длиной в
~ 185 пар оснований; одним из сигналов к запуску апоптоза является обна-
ружение повреждений ДНК во время прохождения клеткой сверочных то-
чек генерационного цикла; эти повреждения ДНК, однако, не столь вели-
ки, чтобы вызвать некроз (см).
Беккерель — единица радиоактивности в СИ, соответствующая 1 рас-
паду в секунду.
Беспороговая концепция действия радиации — концепция, предпола-
гающая возможность линейной экстраполяции зависимости доза—эф-
фект, получаемой для больших доз, на область значений малых доз (ниже
0,2 Зв острого облучения или 1 Зв пролонгированного облучения).
Бета (Р)-частицы — электроны, вылетающие из ядер при радиоактив-
ном распаде.
Биопсия — взятие небольшого кусочка опухоли, обычно объемом в
несколько кубических миллиметров, для различного рода исследований,
в том числе для изучения радиочувствительности клеток данного новооб-
разования.
Брэгга пик (по имени Л. Брэгга, англ, физика) — повышение ЛПЭ, пе-
редаваемой среде энергии в расчете на единицу пути частицы в конце ее
пробега.
Бэр — биологический эквивалент рентгена, доза излучения, по биоло-
гической эффективности равная действию рентгеновского излучения в
расчете на 1 Р экспозиционной дозы.
ВДФ — способ учета побочного действия радиации на нормальные
ткани при лучевой терапии опухолей, связывающий тяжесть поражения с
общей длительностью курса лучевой терапии (время, В), дозой за фрак-
цию (Д) и числом фракций (Ф).
Взаимодействие неупругое (син. торможение) — при прохождении
электрона очень высокой энергии вблизи атомного ядра скорость летяще-
531
го электрона снижается, изменяется траектория полета и часть его энер-
гии испускается в виде фотона тормозного излучения.
Взвешивающий коэффициент (Wt), характеризует отношение стохас-
тического риска для ткани Т к общему стохастическому риску при равно-
мерном облучении всего тела.
Восстановление — восстановление исходной структуры или жизне-
способности клетки, ткани, органа, системы, организма после облучения.
Гамма (у)-излучение — волновое (фотонное) излучение высокой энер-
гии, возникающее при радиоактивном распаде или аннигиляции электро-
на и позитрона.
Гаммафос (син. WR2721) — радиозащитный препарат из группы ами-
ноэтилтиофосфатов, применяемый под торговой маркой Амифостин
(Этиофос), для снижения тяжести лучевых реакций нормальных тканей
при лучевой и химиотерапии опухолей; его протекторные свойства в от-
ношении нормальных тканей не подлежат сомнению, однако вопрос о
степени защитного действия в отношении опухолей на момент написания
данного учебника остается открытым.
Генотип — совокупность всех наследственных факторов, входящих в
геном.
Гипергликемия — повышенное по сравнению с нормой содержание
глюкозы в крови; кратковременная гипергликемия способствует усиле-
нию повреждающего действия гипертермии за счет снижения pH в
результате накопления в опухоли лактата из-за характерного для новооб-
разований гликолитического пути образования АТФ.
Гипертермия (в онкологии) — способ лечения опухолей, состоящий в
их локальном нагреве, или нагреве всего тела, до температуры 40—43°С;
обычно применяется в сочетании с лучевой и/или химиотерапией, повы-
шая их эффективность.
Гипоксирадиотерапия — лучевая терапия злокачественных новообра-
зований, проводимая в условиях преимущественной защиты нормальных
тканей за счет снижения в них рО2 при дыхании больным во время сеанса
облучения смесью азота и 8—9% кислорода, позволяющая повысить под-
водимую к опухоли дозу облучения; при проведении гипоксирадиотера-
пии принимается, что одновременно увеличивается радиорезистентность
и нормальных тканей, и опухоли, но последней — в меньшей степени.
Гипоксия — состояние пониженного (по сравнению с тем, что счита-
ется нормой) содержания кислорода в окружающей объект среде, без ука-
зания на степень такого понижения.
Гомеостаз — поддержание устойчивого равновесия в системе клеточ-
ного обновления (см.) или в организме.
Грей — единица поглощенной дозы в Международной системе еди-
ниц (в СИ, Системе Интернациональной), равная 1 Дж/кг массы; в лите-
ратуре встречается написание грэй (Гр).
Дейтрон — ядро атома дейтерия, состоящее из протона и двух нейтро-
нов.
532
Делеции — отсутствие части хроматиды или хромосомы, вызванное
нерепарированным двойным разрывом молекулы ДНК.
Детерминированный эффект (см. Эффект детерминированный).
Доза минимально летальная — минимальная доза излучения, вызы-
вающая гибель всех облученных объектов.
Доза поглощенная — количество излучения, поглощенное облучен-
ным объектом, в расчете на единицу массы. Единицей поглощенной дозы
в Международной системе является грей (Гр), который соответствует по-
глощению 1 Дж/кг.
Доза толерантная — доза фракционированного облучения определен-
ного органа или его части, или определенной ткани, получаемая ими в
процессе лучевой терапии злокачественных новообразований, при кото-
рой тяжелые, но купируемые (излечиваемые) лучевые осложнения возни-
кают не более чем у 5 или 10% больных; последние величины условны, так
что в разных лечебных учреждениях в качестве «толерантных» могут рас-
сматриваться несколько разные дозы.
Доза удваивающая — доза излучения, при которой в потомстве облу-
чаемого объекта вдвое возрастает частота мутирования определенного ло-
куса по сравнению с фоновым значением.
Доза эквивалентная — доза излучения, поглощенная в органе или тка-
ни и умноженная на взвешивающий коэффициент для данного вида излу-
чения, характеризующий его эффективность в индуцировании биологи-
ческого эффекта; единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).
Доза экспозиционная — доза излучения, измеренная в воздухе.
Доза эффективная — сумма произведений эквивалентной дозы в орга-
нах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты для этих
тканей, учитывающие разную чувствительность тканей в отношении кан-
церогенного эффекта радиации,- единицей эффективной дозы является
зиверт (Зв).
Доза—эффект кривые — кривые, описывающие зависимость пораже-
ния объекта от поглощенной дозы.
Защита фармакологическая — снижение тяжести лучевого поражения
объекта с помощью химических соединений, вводимых до облучения и
действующих на уровне физико-химических процессов.
Зиверт(Зв) — единица эквивалентной дозы.
Интерфаза — промежуток времени между двумя последовательными
делениями клетки.
Ионизирующее излучение — излучение, энергия которого достаточна
для разрыва межатомных связей путем удаления электрона с орбиты (ио-
низации).
Канцерогенное действие — способность агента индуцировать образо-
вание злокачественных новообразований (от лат. Cancer — рак, краб).
Катаракта радиационная — помутнение роговицы, наступившее
вследствие воздействия на нее ионизирующего излучения.
533
Кислородный эффект — увеличение степени радиационного пораже-
ния объекта по мере возрастания его концентрации в окружающей клетки
среде от нулевых значений рО2 (аноксии) до 20 мм.
Кишечный синдром — гибель от поражения клеток эпителия тонкого
кишечника, у мышей наступающая на 4—6-й день после облучения.
Клетка гигантская — клетка, имеющая два и большее количество ядер
и занимающая площадь (в культуре), в 10 и более раз превышающую пло-
щадь интактной клетки; образование гигантских клеток — типичный
признак лучевого патоморфоза.
Клеточный (генерационный цикл) — время, а также последовательность
событий от деления клетки до деления одной из двух ее дочерних клеток
(для простоты об этом говорится как о промежутке времени между двумя
последовательными делениями клетки).
Клонообразование — способность клетки образовывать колонию; при
этом в качестве произвольно выбранного критерия образования колонии
служит наличие в ней 50 клеток (в случае животных клеток) или возмож-
ность ее увидеть невооруженным глазом; утеря способности к колониеоб-
разованию рассматривается как показатель гибели клетки.
Коллективная эффективная доза (см. эффективная доза) — доза, полу-
ченная группой людей от какого-либо источника радиации.
Комптон-эффект — рассеяние электромагнитного излучения на сво-
бодном или слабо связанном электроне, при котором фотон в результате
упругого соударения с электроном передает ему часть своего импульса и
своей энергии; в итоге из атома вылетает электрон (т. е. происходит его
ионизация), а фотон с уменьшенной энергией меняет свое направление
(рассеивается).
Костно-мозговой синдром — гибель от поражения стволовых клеток
костного мозга, у мышей наступающая в период с 6-го (в основном с
12-го) по 30-й день после облучения.
Костный мозг — ткань, в которой происходит образование всех фор-
менных элементов крови; расположена в эпифизах трубчатых костей и в
плоских костях таза, черепа и ребер.
Коэффициент кислородного усиления (ККУ) — коэффициент, показы-
вающий, во сколько раз доза облучения в аноксических или гипоксиче-
ских условиях должна быть больше, чем доза облучения в стандартных ус-
ловиях, для получения одного и того же эффекта.
Критические органы (системы) — жизненно важные органы или сис-
темы, первыми выходящими из строя в исследуемом диапазоне доз излу-
чения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после
облучения; примеры: система кроветворения, тонкий кишечник, ЦНС.
Критический орган — наиболее радиочувствительный из нескольких
органов, оказавшихся в зоне воздействия ионизирующей радиации.
Коэффициент теплового усиления (КТУ) — коэффициент, указываю-
щий на степень усиления гибели клеток при повышении температуры на
1°С.
534
Кюри — внесистемная единица радиоактивности, равная 3,7 • 10'° Бк/с
(распадов в секунду).
ЛД50 — Летальная доза 50 — доза излучения, вызывающая гибель 50%
особей.
ЛД50/зи — доза излучения, вызывающая гибель 50% объектов в течение
30 дней после воздействия (соответствующих завершению гибели мышей
от поражения кишечника и костного мозга).
ЛД5П/5 — доза излучения, вызывающая гибель 50% объектов в течение
5 дней (соответствующих кишечной гибели мышей).
Лейкозы — группа заболеваний крови, характеризующихся неуправ-
ляемым размножением лимфоцитов; наиболее ранние проявления канце-
рогенного действия радиации.
Линейно-квадратичная модель — модель лучевого поражения клетки,
имеющая два члена, один из которых соответствует линейной зависимо-
сти эффекта от дозы излучения, а второй — линейной зависимости эф-
фекта от квадрата дозы излучения.
Линейные потери (передача) энергии (ЛПЭ) — потери энергии на мкм
пути, выраженные в эВ.
Лучевая болезнь — клинический синдром, развивающийся вследст-
вие общего облучения.
Лучевая болезнь (острая) — наступившая вследствие однократного об-
лучения.
Лучевая болезнь (хроническая) — наступившая вследствие длительно-
го непрерывного или фракционированного воздействия.
МАГАТЭ — Международное агентство по атомной энергии, отвечает
за ее безопасное использование; штаб-квартира расположена в Вене.
Мейоз — процесс «редукционного», без удвоения хромосом, деления
зародышевых клеток, в результате которого дочерняя клетка приобретает
половину хромосомного набора родительской клетки.
Мексамин (5-метокситриптамин) — один из радиопротекторов.
Метафаза — центральная фаза митоза, при которой хромосомы соби-
раются в центре клетки, образуя метафазную пластинку; в метафазе каж-
дая хромосома состоит из двух хроматид.
Митоз — деление клетки.
Митотическая активность — характеристика пролиферативной актив-
ности ткани или органа, определяемая процентом клеток, находящихся
на стадии митоза в единицу времени.
Мишени теория (принцип) — высказанное в 30-е годы XX в. представ-
ление о неравнозначности поражения различных частей клетки для ее
судьбы; догадка о существовании в клетке радиочувствительных структур,
поражение которых и приводит к ее гибели; в настоящее время такой
структурой является ДНК.
Мощность (поглощенной) дозы (син. интенсивность облучения) — ко-
личество энергии излучения, поглощаемой массой вещества в единицу
времени (1 с, 1 мин, 1 ч, 1 сут).
535
Мутации — изменения ДНК; соматические мутации могут переда-
ваться в клеточных поколениях в тканях самого облученного объекта, ге-
нетические — наследуются в потомстве облученных родителей.
Нейтрон — нейтральная, не обладающая зарядом ядерная частица с
массой, почти равной массе протона; источником нейтронов служат ядер-
ные реакторы, где они возникают при делении ядер урана, или ускорите-
ли, в которых нейтроны возникают при взаимодействии ускоренных час-
тиц (например, дейтронов) с ядрами атомов мишени, сделанной, напри-
мер, из бериллия.
Некроз — форма клеточной гибели, реализуемая в случае накопления
в Д Н К несовместимого с жизнью количества повреждений, а также вслед-
ствие повреждения мембран.
Нестабильность генома — сохранение повышенного мутационного
фона в ряду поколений облученной клетки.
Облучение — воздействие ионизирующей радиации на биологиче-
ские объекты.
Облучение внешнее — от наружных источников излучения.
Облучение внутреннее — от инкорпорированных в организм радио-
нуклидов.
Облучение крупнопольное (син. широкопольное) — облучение злокаче-
ственных новообразований, например лимфогранулематоза, большими
полями в расчете на одновременное поражение основного очага и дисси-
минатов опухолевых клеток в регионарные лимфатические узлы.
Облучение локальное (син. местное) — облучение отдельных участков
(сегментов) тела.
Облучение многократное (син. фракционированное) — облучение не-
сколькими отдельными фракциями через различные промежутки време-
ни.
Облучение неравномерное — следствие ослабления излучения по глу-
бине тела или в результате экранирования (см.) его отдельных сегментов.
Облучение общее (син. тотальное) — облучение всего тела.
Облучение острое — облучение, длительность которого не превышает
нескольких часов, чаще всего составляя минуты.
Облучение пролонгированное (син. — протрагированное) — облучение,
продолжающееся в течение многих дней, месяцев и лет.
Облучение хроническое — длительное при низкой мощности дозы.
Облучения непосредственные эффекты — возникающие вскоре (в тече-
ние часов, дней, недель) после облучения (см. Детерминированные эффек-
ты).
Облучения отдаленные последствия — развивающиеся через несколь-
ко месяцев или лет после облучения — нестохастические эффек-
ты — эпиляция, катаракта, стерильность, сокращение продолжительно-
сти жизни; стохастические эффекты (см.) — злокачественные новообра-
зования, генетические (наследуемые в потомстве) болезни.
ОБЭ — относительная биологическая эффективность (ионизирую-
щих излучений).
536
Оксибарорадиотерапия — способ облучения злокачественных опухо-
лей при дыхании чистым кислородом в расчете на усиление радиочувстви-
тельности (см.) гипоксических клеток (см. Кислородный эффект).
Окситриптамин — (син. серотонин) — радиопротектор (см.).
Онкоген — генетическая программа, способствующая возникнове-
нию опухолей, либо присутствует в геноме в репрессированном состоя-
нии под контролем регуляторных генов, либо образуется из разобщенных
фрагментов ДНК, каждый из которых в отдельности не может вызвать
опухолевую трансформацию.
Орофаренгиальный синдром — симптомокомплекс, развивающийся
вследствие радиационного поражения полости рта, глотки и пищевода
при дозах >10 Гр.
Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) — отношение
равноэффективных по биологическому действию доз рассматриваемого
излучения и гамма или рентгеновского излучений, которые считаются
стандартными.
Отработанное ядерное топливо (ОЯТ) — использованное топливо
ядерных реакторов, ценное сырье для получения нового ядерного топли-
ва.
Пи-минус мезоны (л ) (син. отрицательные л-мезоны) — отрицательно
заряженные элементарные частицы массой, в 273 раза превышающей
массу электрона; л-мезоны создают в месте их захвата большое локальное
энерговыделение («микровзрыв»).
Поражения потенциально летальные — способные к восстановлению
(см.) при изменении условий в первые часы после облучения.
Позитрон — элементарная частица, в ядерной физике относимая к
лептонам, которая имеет положительный заряд и массу, равную массе
электрона, т. е. 1/1837 от массы протона (или нейтрона).
Полирадиомодификация — способ управления радиочувствительно-
стью (см.) с помощью одновременного или последовательного примене-
ния радиомодифицирующих (см.) агентов.
Полная коллективная эффективная доза — коллективная эффективная
доза (см.), которую получат поколения людей от какого-либо источника
за все время его существования.
Поражения сублетальные — поражения клеток, которые могут быть
репарированы, выявляемые по увеличению выживаемости клеток при
разделении дозы однократного облучения на две фракции с интервалом
между ними до нескольких часов.
Пороговая доза — доза, ниже которой не отмечено проявления данно-
го эффекта облучения.
Принцип попаданий и мишени — формальное объяснение первичных
механизмов биологического действия ионизирующих излучений, в том
числе явления, называемого радиобиологическим парадоксом (см.): прин-
цип попаданий характеризует особенности действующего агента — дис-
кретность поглощения энергии, а принцип мишени учитывает особен-
ность облучаемого объекта — клетки — высокую гетерогенность и значи-
537
мость ее структур в морфологическом и функциональном отношениях, а
следовательно, различие в ответе на одно и то же попадание.
Пробит-анализ — количественная оценка зависимости между лога-
рифмами доз и пробитами (англ, probability unit — вероятностная едини-
ца), соответствующими наблюдающимся эффектам; в координатах про-
биты — логарифм дозы (а иногда и сама доза) происходит спрямление
сигмоидных кривых.
Протон — положительно заряженная ядерная частица с массой, прак-
тически равной массе нейтрона.
Рад — (rad — radiation absorbed dose) — старая (внесистемная) едини-
ца поглощенной дозы, соответствующая поглощению энергии 10~2 Дж/кг;
в Международной системе единиц используется грей (Гр); 1 Гр = 100 рад.
Радиационная безопасность — система мероприятий, направленных на
минимизацию последствий облучения, регламентацию радиационного
воздействия в виде международных рекомендаций и национальных сани-
тарных правил и норм радиационной безопасности для разных категорий
профессионалов — работников атомной промышленности и населения.
Радиационная защита (син. противолучевая) (1) — система регламен-
тации воздействия ионизирующих излучений, направленная на защиту
населения и профессиональных работников; (2) — измерение степени ос-
лабления воздействия облучения; (3) — химические и биологические
способы ослабления поражающего действия ионизирующих излучений
(см. Радиомодифицирующие агенты).
Радиационная онкология — методы лечения злокачественных новооб-
разований при помощи ионизирующих излучений (методы лучевой тера-
пии).
Радиационная стерилизация — применение ионизирующих излуче-
ний (1) для половой стерилизации растительных и животных объектов; (2)
для стерилизации различных материалов медицинского назначения,
пищи и обеззараживания отходов.
Радиационная терапия (син. радиотерапия, лучевая терапия) — лечение
различных (в основном онкологических) заболеваний разными видами
ионизирующих излучений.
Радиационное нормирование — регламентация уровней облучения от-
дельных категорий людей (профессионалов и населения), предусмотрен-
ная международными рекомендациями и национальными законодатель-
ными органами и документами.
Радиационное старение — отдаленное последствие облучения, прояв-
ляющееся в склерозировании сосудов, поседении, ослаблении эластиче-
ских свойств кожи и сокращении продолжительности жизни.
Радиационные синдромы — симптомокомплексы (костномозговой,
кишечный, церебральный), развивающиеся вследствие поражения соот-
ветствующих критических органов (см.) после облучения в определенном
диапазоне доз—1 — 10 Гр, > 10 Гр, > 100 Гр, соответственно.
538
Радиационный онколог (син. лучевой терапевт) — специалист, зани-
мающийся лечением злокачественных новообразований методами луче-
вой терапии.
Радиационный фон — естественный — за счет радионуклидов земного
и космического происхождения; технологически измененный и техноген-
ный — за счет антропогенной деятельности человека.
Радиация (ионизирующая) — электромагнитное или корпускулярное
излучение, способное при взаимодействии с веществом прямо или опо-
средованно вызывать в нем образование ионов; примеры: рентгеновское
излучение, фотоны, заряженные атомные частицы, нейтроны.
Радикалы свободные — короткоживущие продукты радиолиза воды и
органических молекул, содержащие неспаренные электроны, а потому
высоко реактивные и легко реагирующие с растворенным субстратом, что
приводит к его повреждению.
Радиоактивность — способность всех нестабильных элементов к рас-
паду с выделением энергии в форме фотонов (у-излучение) или частиц
(электроны, а-частицы и др.); единицей радиоактивности служит бекке-
рель (Бк) — одно ядерное превращение в 1 с.
Радиоактивные изотопы (син. радионуклиды) — одна из форм сущест-
вования элементов, различающихся по атомному весу и содержащих не-
стабильное ядро, испускающее ионизирующее излучение.
Радиобиологический парадокс — несоответствие между ничтожным
количеством поглощенной энергии и крайней степенью реакции биоло-
гического объекта, вплоть до летального эффекта.
Радиомоднфикация — искусственное изменение радиочувствительно-
сти (см.) с помощью радиомодифицирующих агентов (см.)
Радиомодифицирующие агенты — химические и фармакологические
средства ослабления (см. радиопротекторы) или усиления (см. радиосенси-
билизаторы) биологического действия ионизирующих излучений.
Радиопоражаемость (см. Радиочувствительность).
Радиорезистентность (син. радиоустойчивость) — низкая чувствитель-
ность к поражающему действию ионизирующих излучений.
Радиотоксины — различные не идентифицированные гуморальные
токсические агенты, образующиеся в тканях под действием облучения, в
частности, клеточный детрит и другие продукты распада тканей, возмож-
но, определяющие дистанционное действие радиации, так называемый
абскопальный эффект (см.)
Радиочувствительность — относительная восприимчивость клеток,
тканей, органов или организмов к воздействию ионизирующего излуче-
ния, мерой которой служит доза излучения, вызывающая определенный
уровень гибели облучаемых объектов: для инактивации клеток — показа-
тель Dv или Do на кривой выживаемости, для организмов — доза, вызы-
вающая гибель 50% особей за определенный срок наблюдения.
Радиочувствительность видовая — радиочувствительность отдельных
биологических видов.
539
Радиочувствительность индивидуальная — варьирование степени ра-
диочувствительности внутри одного вида.
Радон (n2Rn) — тяжелый радиоактивный инертный газ (период полу-
распада 3,8 дня); возникает вследствие последовательного деления урана;
выделяется из почвы, особенно из скальных пород, а также из строитель-
ных материалов, изготовленных из таких пород; опасность представляют
радиоактивные продукты распада радона, не являющиеся газами и пото-
му захватываемые пылевыми частицами, оседающими в верхних дыха-
тельных путях.
Рант-болезнь (син. вторичнная болезнь, болезнь истощения) — леталь-
ный синдром, развивающийся вследствие иммунологической несовмес-
тимости при пересадке гомо- или гетерологичных тканей.
Рассеяние — изменение траектории легких элементарных частиц, на-
пример электронов, при их взаимодействии с облучаемым веществом.
Рассеяние упругое — при нем практически меняется лишь направле-
ние движения частиц, а не их энергия.
Регенерация — восстановление численности популяции клеток после
утраты некоторых из них.
Регламентация облучения (см. Радиационное нормирование).
Рентгеновское «похмелье» — общая болезненная реакция пациента,
развивающаяся при локальной лучевой терапии, являющаяся примером
дистанционного действия (см.) облучения.
Реоксигинация опухолей — увеличение доступа кислорода к ранее ги-
поксическим клеткам вследствие уменьшения опухолевой популяции в
процессе лучевой терапии.
Репарация ДНК — биохимические процессы, ведущие к восстановле-
нию исходного состояния молекулы ДНК после разрыва в ней межатом-
ных связей, вызванных воздействием ионизирующего излучения.
Рецидив — возобновление роста злокачественной опухоли в течение
5-летнего периода после проведенного лечения.
Риск (канцерогенный, генетический) — вероятность появления тех или
иных стохастических и нестохастических последствий.
Риск абсолютный — риск наступления неблагоприятного эффекта об-
лучения, который не зависит от действия других факторов, приводящих к
тому же эффекту.
Риск аттрибутивный — увеличение частоты заболеваний, обусловлен-
ное воздействием радиационного фактора.
рО2 — парциальное напряжение кислорода в окружающей клетку сре-
де, выраженное в мм рт. ст.
Сенсибилизация — наблюдаемое при комбинированном применении
агентов усиление действия одного из них другим, который сам по себе на-
блюдаемый эффект не вызывает.
Серототонин (см. Окситриптамин).
Синдром — очерченный симптомокомплекс (группа симптомов), ха-
рактерный для того или иного определенного заболевания.
540
Синергизм — результат комбинированного применения двух агентов,
превышающий аддитивное действие (см. Аддитивность).
Синхронизация — концентрация клеток в определенной стадии цик-
ла.
Система клеточного обновления — самоподдерживающая активно
пролиферирующая клеточная система, состоящая из нескольких пулов
(компартментов), в которой на каждую отмирающую клетку (в пролифе-
рирующем пуле) появляется новая из стволового пула, примеры: костный
мозг, слизистая тонкого кишечника.
Смерть под лучом — гибель организма во время или в первые минуты
после облучения в дозах более 1000 Гр, обусловленная массированным
поражением мембран и структурных белков клеток ЦНС («молекулярная
гибель»).
Стволовые (клоногенные) клетки — недифференцированные предше-
ственники специфических клеточных линий, составляющие самоподдер-
живающий фонд, который обеспечивает постоянную скорость клеточно-
го обновления.
Стохастические эффекты — вероятность развития злокачественных
новообразований в отдаленные (годы, десятки лет) сроки после облуче-
ния животного или человека и/или наследственных заболеваний в потом-
стве.
Тепловые нейтроны (см. Нейтроны тепловые).
Терапевтический индекс радиопротекторов — отношение летальной
дозы (обычно ЛД^) препарата к его дозе, обеспечивающей эффективную
защиту.
Терапевтический интервал — абстрактное понятие, указывающее на
соотношение дозы излучения, требуемой для излечения опухоли, и дозы,
при которой происходит превышение толерантности «критической» тка-
ни, попадающей в поле облучения.
Тератогенные эффекты — пороки развития и уродства, развившиеся
вследствие облучения эмбриона или плода in utero (в матке).
Терморадиотерапия — комбинированное применение ионизирующих
излучений с гипертермией (см.).
Термотолерантность (индуцированная) — повышение устойчивости
клеток и тканей к прогреванию, наступающее в первые часы после сеанса
предыдущего прогревания.
Толерантность (применительно к лучевой терапии) — способность
ткани переносить локальное облучение без утери своей функции; опреде-
ляется как доза излучения, вызывающая какой-либо неблагоприятный
эффект у небольшого числа (5—10%) больных.
Тормозное излучение — волновое излучение с энергией от нескольких
МэВ до десятков МэВ, возникающее при торможении ускоренных элек-
тронов; генерируется на линейных ускорителях электронов и широко ис-
пользуется в лучевой терапии опухолей.
541
Тяжелые ядерные частицы — протоны, нейтроны, пи-минус мезоны (л )
(см.), ядра тяжелого водорода (дейтерий), а-частицы (ядра гелия) и тяже-
лые ионы (ядра других элементов).
Фактор изменения дозы (ФИД) — количественный критерий эффек-
тивности того или иного радиомодифицирующего агента (см.).
Фенотип — совокупность признаков, проявляющаяся только у дан-
ного организма.
Фотоны — порции электромагнитного излучения.
Фотоэлектрический эффект — механизм размена энергии излучения,
при котором в результате поглощения энергии падающего фотона появ-
ляются новые электроны с энергией падающего кванта, за вычетом рабо-
ты выхода данного электрона из атома.
Химера (радиационная) — организм, в котором живут и размножаются
клетки животного другого вида.
Хроматида — часть хромосомы; две хроматиды, объединенные цен-
тромерой, образуют одну хромосому.
Хромосомы — внутриклеточные структуры, хорошо видимые в свето-
вом микроскопе, в которых в суперспирализованной форме находится
ДНК во время деления клетки.
Хромосомные аберрации (перестройки) — возникающие под влиянием
облучения структурные повреждения ДНК, при которых разорванные
концы хромосом соединяются неправильно, а отдельные их фрагменты
могут при делении клетки утрачиваться.
Цистамин, цистафос, цистеин, цистеинамин — серосодержащие радио-
протекторы (см.) из класса меркаптоалкиламинов.
Эквивалентная доза — поглощенная доза (см.), умноженная на взве-
шивающий коэффициент, отражающий поражающую способность дан-
ного вида излучения; используется в области радиационной безопас-
ности.
Экзоколониальный и эндоколониальный тесты — методы количествен-
ной оценки радиочувствительности (см.) стволовых гемопоэтических кле-
ток.
Экранирование (от облучения) — физический способ ослабления дей-
ствия излучений с помощью абсорбирующих энергию материалов, поме-
щаемых между источником излучения и объектом воздействия.
Электрон — элементарная частица в ядерной физике относимая к
лептонам, которая имеет отрицательный заряд и массу, равную 1/1837 от
массы протона (или нейтрона).
Электронно-позитронная пара — взаимодействие ионизирующего из-
лучения с веществом, при котором у-квант большой энергии в поле атом-
ного ядра превращается в пару заряженных частиц — электрон (см.) и по-
зитрон (см.).
Эндомитоз — возникновение патологических, гигантских клеток, со-
держащих несколько наборов хромосом вследствие их редупликации в
пределах одной неразделившейся клетки.
542
Эффект детерминированный — эффект, у которого с увеличением
дозы облучения возрастает как частота появления, так и тяжесть; обычно
возникает после превышения некоего дозового порога; часто рассматри-
вается как ранний эффект облучения, однако как частота, так и тяжесть
детерминированного эффекта могут возрастать спустя многие годы после
воздействия.
Эффект избыточного поражения, перепоражения (overkill) — после оп-
тимального значения ЛПЭ (см.) наступает насыщение, и каждая после-
дующая частица теряет энергию уже в убитой клетке, т.е. действует вхоло-
стую.
Эффект стохастический — эффект, у которого с увеличением дозы об-
лучения возрастает только частота появления, но не тяжесть; к стохасти-
ческим эффектам облучения относят индукцию злокачественных новооб-
разований и генетические изменения в потомстве облученной особи.
Эффективная доза — эквивалентная доза излучения, умноженная на
взвешивающий коэффициент, учитывающий роль поражения облучае-
мой ткани в развитии стохастических эффектов облучения; используется
в области радиационной безопасности.
Ядра отдачи — сильноионизирующие протоны, образующиеся в
результате упругого рассеивания в веществе быстрых нейтронов (см.).
Оглавление
Предисловие к четвертому изданию................................... 3
Введение........................................................... 5
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ВОПРОСЫ ОБЩЕЙ РАДИОБИОЛОГИИ . . 7
ГЛАВА 1. Радиобиология как предмет................................. 9
Резюме............................................................ 14
ГЛАВА 2. Немного истории.......................................... 15
2.1. Открытие рентгеновских лучей и радиоактивности........... 16
2.2. Три этапа развития радиобиологии......................... 22
Резюме............................................................ 28
ГЛАВА 3. Радиочувствительность.................................... 29
Резюме............................................................ 33
ГЛАВА 4. Физические основы действия ионизирующих излучений на биологи-
ческие объекты................................................... 34
4.1. Типы ионизирующих излучений.............................. 34
4.2. Особенности взаимодействия ионизирующих излучений с вещест-
вом .......................................................... 36
4.2.1. Электромагнитные излучения........................... 36
4.2.2. Корпускулярные излучения............................. 40
4.3. Единицы дозы излучения и радиоактивности................. 45
Резюме............................................................ 49
ГЛАВА 5. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений .... 50
Резюме............................................................ 56
ГЛАВА 6. Молекулярные аспекты биологического действия ионизирующих
излучений....................................................... 57
6.1. Радиационные повреждения ДНК............................. 60
6.2. Репарация радиационных повреждений ДНК................... 63
6.2.1. Эксцизионная репарация поврежденных и неспаренных осно-
ваний и нуклеотидов......................................... 63
6.2.2. Репарация одиночных и двойных разрывов ДНК........... 65
6.3. Радиационные повреждения ДНК и задержка прохождения кле-
точного цикла................................................. 68
6.4. Механизм индукции и реализации программируемой смерти клет-
ки (апоптоза)................................................. 70
Резюме............................................................ 73
ГЛАВА 7. Проявление лучевого поражения на уровне клетки........... 75
7.1. Радиационная задержка клеточного деления................. 75
7.2. Хромосомные аберрации и микроядра........................ 79
544
1.3. Утеря клеткой клоногенного потенциала. Кривые «выживаемости» 86
7.3.1. Определение выживаемости клеток in vitro.............. 87
7.3.2. Определение выживаемости клеток in vivo............... 89
7.3.3. Формальные модели лучевого поражения, используемые для
построения кривых выживаемости по экспериментальным
точкам....................................................... 90
7.3.4. Кривые выживаемости в области малых доз излучения . . 95
7.4. Непосредственно наблюдаемая гибель клеток после облучения.
Апоптоз и некроз.............................................. 97
7.5. «Коммунальный» эффект.................................... 103
7.6. Лучевые поражения клеток, не отражаемые кривыми выживаемо-
сти.......................................................... 108
7.6.1. Длительно сохраняющаяся повышенная гибель потомков об-
лученной клетки............................................. 108
7.6.2. Генетическая нестабильность.......................... 109
Резюме............................................................ 111
ГЛАВА 8. Факторы, определяющие выживаемость клеток после облучения . . 113
8.1. Вариабельность радиочувствительности клеток.............. 113
8.2. Радиочувствительность клеток на разных стадиях цикла ... 115
8.3. Восстановление клеток.................................... 119
8.3.1. Репарация потенциальнолетальных поражений............ 120
8.3.2. Репарация сублетальных поражений..................... 123
8.4. Восстановление и мощность дозы........................... 129
8.5. Восстановление клеток и репарация ДНК.................... 133
Резюме............................................................ 134
ГЛАВА 9. Модификация радиочувствительности. Кислородный эффект . 135
9.1. Вопросы терминологии и количественные критерии радиомоди-
фицирующего эффекта....................................... 135
9.2. Механизм и основные характеристики радиомодифицирующего
действия кислорода........................................ 138
Резюме............................................................ 145
ГЛАВА 10. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) ионизирую-
щих излучений..................................................... 147
10.1. Методы оценки ОБЭ и ее связь с линейной передачей энергии . . 147
10.2. Зависимость ОБЭ от условий облучения и других факторов. 151
10.3. Границы применения концепции ОБЭ........................ 154
Резюме............................................................ 156
ГЛАВА 11. Теоретические представления о механизме биологического дейст-
вия ионизирующих излучений........................................ 158
11.1. Принцип попадания и теория мишени....................... 159
11.2. Стохастическая теория................................... 165
Резюме............................................................ 169
Заключение по первой части........................................ 170
ЧАСТЬ ВТО РАЯ. РАДИОБИОЛОГИЯ ОРГАНИЗМА............................ 171
ГЛАВА 12. Радиочувствительность тканей, органов, организма. Детерминиро-
ванные эффекты.................................................... 173
12.1. Радиационные синдромы................................... 175
12.2. Костный мозг — типичный пример системы клеточного обновле-
ния .......................................................... 179
545
12.3. Изменения в системе обновления желудочно-кишечного тракта . 188
12.4. Характер радиационных изменений центральной нервной систе-
мы .......................................................... 190
12.5. Радиочувствительность и лучевые реакции отдельных органов и
тканей....................................................... 190
12.6. Относительность понятия тканевой радиочувствительности . 198
12.7. Радиочувствительность организма.......................... 199
12.8. Детерминированные эффекты облучения...................... 206
12.8.1. Ранние детерминированные эффекты..................... 206
12.8.2. Поздние детерминированные эффекты.................... 207
Резюме............................................................. 209
ГЛАВА 13. Процессы восстановления в облученном организме....... 211
13.1. Кинетика восстановления организма после общего облучения 211
13.2. Регенерация костного мозга и пострадиационное восстановление
организма.................................................... 216
13.3. Динамика радиорезистентности организма в раннем пострадиа-
ционном периоде.............................................. 220
13.4. Степень восстановления некоторых функций организма . . . 223
13.5. Особенности повреждения и репарации малообновляющихся
тканей....................................................... 225
Резюме............................................................. 233
ГЛАВА 14. Лучевая болезнь человека................................. 234
14.1. Острая лучевая болезнь при относительно равномерном облуче-
нии.......................................................... 235
14.1.1. Фаза первичной общей реакции......................... 237
14.1.2. Фаза кажущегося клинического благополучия............ 238
14.1.3. Фаза выраженных клинических проявлений............... 239
14.1.4. Фаза раннего восстановления.......................... 239
14.2. Острые лучевые поражения при неравномерном облучении . 245
14.3. Хроническая лучевая болезнь.............................. 254
14.4. Классификация, диагноз и прогноз лучевой болезни..... 255
14.5. Терапия острой лучевой болезни........................... 261
14.5.1. Замещение костного мозга...................... 261
14.5.2. Замещение периферической крови................ 270
14.5.3. Функциональная терапия........................ 278
Резюме...................................................... 280
ГЛАВА 15. Биологическое действие инкорпорированных радиоактивных ве-
ществ ........................................................... 282
15.1. Пути поступления радионуклидов в организм................ 283
15.2. Распределение инкорпорированных радионуклидов в организме 286
15.3. Радиобиологическая оценка поражений инкорпорированными
радионуклидами.......................................... 288
15.4. Особенности поражений продуктами ядерного деления. . . . 289
15.5. Профилактика и лечение поражений инкорпорированными ра-
дионуклидами............................................ 291
Резюме...................................................... 292
ГЛАВА 16. Опосредованные эффекты облучения. Нарушение обмена веществ.
Изменения в некритических системах организма....... 294
16.1. Опосредованные и дистанционные эффекты облучения . . . 294
546
16.2. Опосредованное действие ионизирующих излучений на крове-
творение ..................................................... 296
16.3. Нарушения в некритических системах облученного организма. . 298
16.4. Угнетение иммунитета...................................... 300
16.5. Нарушение обмена веществ.................................. 308
Резюме.............................................................. 315
ГЛАВА 17. Отдаленные последствия облучения.......................... 317
17.1. Основные категории отдаленных последствий................. 317
17.2. Соматические отдаленные последствия облучения............. 319
17.2.1. Сокращение продолжительности жизни.................... 319
17.2.2. Радиационная катаракта................................ 326
17.2.3. Возникновение злокачественных новообразований.... 328
17.2.4. Механизм соматических отдаленных последствий облучения 336
17.2.4.1. Молекулярные механизмы радиационного канцерогенеза 343
17.3. Генетические отдаленные последствия облучения............. 346
17.3.1. Оценки радиационных генетических рисков............... 347
Резюме.............................................................. 352
ГЛАВА 18. Последствия облучения эмбриона и плода.................... 354
18.1. Возрастно-специфические реакции на облучение в эмбриогенезе 355
18.2. Эффект облучения мышей на разных стадиях внутриутробного
развития...................................................... 357
18.3. Последствия облучения эмбриона человека................... 362
18.4. Механизмы радиоэмбриологического эффекта и оценка его по-
следствий .................................................... 365
Резюме.............................................................. 369
ГЛАВА 19. Фармакохимическая противолучевая защита организма. . . . 370
19.1. Основные классы химических радиопротекторов............... 371
19.1.1. Индолилалкиламины..................................... 371
19.1.2. Меркаптоалкиламины.................................... 372
19.2. Оценка радиозащитного эффекта............................. 375
19.3. Механизмы противолучевой защиты........................... 378
19.3.1. Перехват и инактивация свободных радикалов............ 379
19.3.2. Изменение окислительно-восстановительного потенциала 379
19.3.3. Сульфгидрильная гипотеза.............................. 381
19.3.4. Гипотеза биохимического шока.......................... 382
19.3.5. Защита как проявление неспецифической реакции и увеличе-
ния объема репарации........................................ 382
19.3.6. Защита и кислородный эффект........................... 384
19.3.7. Общий механизм модификации репродуктивной гибели кле-
ток ........................................................ 386
19.4. Защита организма как следствие ослабления поражения критиче-
ских систем................................................... 390
19.5. Ограничения фармакохимической защиты, связанные с условия-
ми облучения.................................................. 399
19.6. Защита от отдаленных последствий облучения................ 400
19.7. Возможности использования средств противолучевой защиты че-
ловека ................................................. 407
Резюме.............................................................. 412
547
ГЛАВА 20. Комбинированное действие ионизирующих излучений с другими
агентами............................................... 414
20.1. Терминология комбинированных эффектов............. 415
20.2. Механизмы и методы изучения комбинированных воздействий . 416
20.3. Оценка комбинированных воздействий................ 419
Резюме...................................................... 422
ГЛАВА 21. Радиобиологические основы лечебного применения ионизирующих
излучений.............................................. 424
21.1. Факторы, влияющие на радиорезистентность опухолей .... 427
21.1.1. Вариабельность исходной радиочувствительности опухоле-
вых клеток................................................. 427
21.1.2. Роль опухолевой гипоксии............................. 429
21.2. Методы управления тканевой радиочувствительностью при луче-
вой терапии.................................................. 434
21.2.1. Сенсибилизация гипоксических опухолевых клеток .... 434
21.2.2. Гипертермия.......................................... 437
21.2.2.1. Локальная гипертермия............................. 438
21.2.2.2. Общая гипертермия................................. 444
21.2.3. Противолучевая защита нормальных тканей.............. 445
21.2.3.1. Гипоксическая защита.............................. 445
21.2.3.2. Химические радиопротекторы........................ 448
21.2.4. Радиомодифицирующее действие химиотерапевтических
препаратов................................................. 449
21.3. Радиобиологические основы использования в лучевой терапии
тяжелых ядерных частиц ...................................... 450
21.4. Реакция опухоли и нормальных тканей на облучение.... 454
21.5. Ранние лучевые реакции и поздние поражения нормальных тка-
ней ......................................................... 460
21.6. Толерантность нормальных тканей при различном фракциониро-
вании дозы................................................... 463
Резюме............................................................. 466
Заключение по второй части......................................... 468
ЧАСТЬТРЕТЬЯ. ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 471
ГЛАВА 22. Источники облучения человека............................. 473
22.1. Естественные источники радиации.......................... 474
22.1.1. Земная радиация. Радон............................... 474
22.2. Искусственные источники облучения человека............... 476
22.2.1. Источники радиации, используемые в медицине..... 476
22.2.2. Испытания ядерного оружия............................ 478
22.2.3. Атомная энергетика................................... 479
22.2.4. Другие источники облучения........................... 482
Резюме............................................................. 483
ГЛАВА 23. Медицинские последствия радиационных аварий.............. 484
23.1. Возможные медицинские последствия радиационных аварий 485
23.2. Медицинские последствия основных неконтролируемых радиа-
ционных воздействий.......................................... 487
23.3. Последствия аварии на ЧАЭС............................... 490
23.3.1. Физические последствия аварии........................ 490
23.3.2. Медицинские последствия аварии....................... 493
548
23.3.2.1. Ранние радиологические последствия у персонала реакто-
ра и сотрудников аварийных служб........................... 495
23.3.2.2. Отдаленные радиологические последствия........... 495
Резюме............................................................ 505
ГЛАВА 24. Научные основы регламентации облучения человека....... 507
24.1. Вопросы терминологии.................................... 508
24.2. Международная деятельность в области радиационной защиты . 510
24.3. Регламентация радиационного воздействия в России...... 511
24.3.1. Категории облучаемых лиц, дозовые пределы, эффективная и
эквивалентная дозы........................................... 513
24.4. Дискуссионные вопросы теории и практики регламентации облу-
чения.......................................................... 517
24.5. Оценка вероятных последствий облучения и степень риска, обу-
словленная нерадиационными факторами........................... 519
24.6. Подготовка новых рекомендаций МКРЗ..................... 522
Резюме............................................................ 524
Заключение по третьей части....................................... 525
Научно-практические перспективы радиобиологии человека (Заключительные
замечания)........................................................ 526
Терминологический словарь......................................... 530
Учебное издание
Ярмоненко Самуил Петрович,
Вайнсон Адольф Адольфович
РАДИОБИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ
Редактор Л. И. Захватова
Художественный редактор А. Ю. Войткевич
Технический редактор Л.А. Овчинникова
Компьютерная верстка С.Н. Луговая
Корректор Т.А. Вавилова
Лицензия ИД № 06236 от 09.11.01.
Изд. № РЕНТ-54. Сдано в набор 01.12.03. Поди, в печать 17.02.04.
Формат 60 х 88‘/16. Бум. офс. № 1. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная.
Объем 33,81 усл. печ. л. +- 0,31 усл. печ. л. форз. 34,12 усл. кр.-отт.
Тираж 5000 экз. Заказ № 3724.
ФГУП «Издательство «Высшая школа»,
127994, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14.
Тел.: (095) 200-04-56
E-mail: info@v-shkola.ru http://www.v-shkola.ru
Отдел реализации: (095) 200-07-69, 200-59-39, факс: (095) 200-03-01.
E-mail: sales@v-shkola.ru
Отдел «Книга-почтой»: (095) 200-33-36. E-mail: bookpost@v-shkola.ru
Набрано на персональных компьютерах издательства.
Отпечатано на ФГУП ордена «Знак Почета»
Смоленская областная типография им. В.И. Смирнова.
214000, г. Смоленск, пр-т им. Ю. Гагарина, 2.
Ярмоненко Самуил Петрович
Профессор, главный научный со-
трудник Российского онкологического
научного центра РАМН. Автор трех из-
даний данного учебника, написанного
на базе созданного им в 1967—1968 гг.
курса радиобиологии на медико-биоло-
гическом факультете 2-го МОЛГМИ
им. Н.И. Пирогова и удостоенного Го-
сударственной премии СССР за 1988 г.
Признанный в мире авторитет в облас-
ти биологического воздействия радиа-
ции и противолучевой защиты, а также
радиобиологических основ лечения
рака, в 1991 г. избран Президентом Ме-
ждународного общества клинической
гипертермии. Им подготовлено 10 док-
торов и 19 кандидатов наук, опублико-
вано 300 трудов, в том числе 9 моногра-
фий и научно-популярных книг.
Вайнсон Адольф Адольфович
Заведующий отделом радиобио-
логии и лабораторией лучевых мето-
дов лечения опухолей Российского
онкологического научного центра
РАМН. Профессор Московского ин-
женерно-физического института. Лау-
реат премии Правительства России.
Окончил кафедру биологии биологи-
ческого факультета МГУ им. М.В. Ло-
моносова и аспирантуру Института
биофизики АН СССР. Основные на-
правления исследований — изучение
биологического действия тяжелых
ядерных частиц, разработка методов
селективной защиты нормальных тка-
ней и сенсибилизация опухолей при
лучевой терапии злокачественных но-
вообразований. В течение нескольких
лет работал в лабораториях Германии,
Швеции, Японии и США. Соавтор
трех монографий по радиационной
онкологии.