/
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—2