Биологическое действие радиации.

Действие ионизирующих излучений на живые орга­низмы изучают с тех пор, как французскому ученому Андре Беккерелю в1896 г. удалось открыть явление радиоактивности. К ионизирующим относятся рентгеновские и гамма-излучения проявляющиеся в виде порций энергии, или так называемых квантов.

Пролетая над оболочкой атома, кванты и частицы способны вырывать из нее электрон. Лишившись отрица­тельно заряженного электрона, атомы и молекулы стано­вятся положительно заряженными ионами. Так в общих чертах происходит процесс ионизации атомов и молекул. Наряду с этим при взаимодействии ионизирующих излу­чений с растворителями биологических молекул (водой или жирами) возникают и другие продукты ионизации — свободные радикалы (активные фрагменты молекул), обладающие одним или двумя не спаренными электро­нами.

Ионы и радикалы в силу своей высокой реактивности способны вступать в сложные химические реакции с дру­гими молекулами, а сверх того выбитые радиацией элек­троны могут вызывать все новые и новые акты ионизации. Такая цепь событий приводит обычно к различным дест­руктивным изменениям макромолекул, из которых по­строены живые системы.

Удивительно различной оказалась чувствительность к радиации биологических макромолекул, находящихся в пробирке (вне организма) и в составе живых клеток. Повреждение 0,001—0,1% ДНК, практически не улавли­ваемое вне организма, приводит к катастрофе, если эти макромолекулы находятся в составе живой клетки. Та­кое различие возможно объяснить прежде всего двумя причинами. Во-первых, макромолекулы ДНК, из кото­рых состоят гены, уникальны. Они содержатся в ядре клетки в количестве одной, двух или нескольких копий. Значит, повторяемость их ограничена. Во-вторых, в жи­вой клетке и в целом организме существуют разного ро­да механизмы, многократно усиливающие первоначаль­ный эффект. Это усиление проявляется, например, в том, что изменение (мутация) всего лишь одного гена в поло­вой клетке в последующем — при оплодотворении ее и созревании плода — воспроизводит эту мутацию во всех клетках организма в форме отклонений в структуре и функциях.

Лимфоциты и другие клет­ки иммунной системы являются соматичес­кими клетками. Наиболее полно изучен процесс гибели соматических клеток в результате облучения. Различают две основные разновидности гибели клеток при их контакте с радиа­цией: репродуктивную (в момент деления клеток) и интерфазную (в период покоя — между предшествую­щим и последующим делением).

В обоих случаях глав­ная причина гибели клеток кроется в нарушении хромо­сом, а точнее, разрыва молекул ДНК. Каждая хромосома состоит из двух нитей ДНК. В зависимости от мощно­сти радиации разрыв может произойти в одной или в обеих нитях ДНК.

Единичные разрывы одной нити легко залечиваются (восстанавливаются). Для этого в клетке "существует специальная репарационная система с набо­ром восстановительных ферментов. А если происходит одновременный разрыв обеих нитей. В этом случае нити разъединяются, репарация становится клетка, как правило, погибает. При интенсивном облучении погибают любые делящиеся клетки (репродуктивная гибель), и прежде всего те, которые имеют двухнитевой разрыв ДНК. Интерфазная гибель связана с процессом созревания «покоящихся» клеток и является уделом лишь немногих типов кле­ток, в число которых входят лимфоциты. Интерфазные клетки погибают быстро — в течение первых суток после облучения. Механизмы ее реализации не до конца изуче­ны. Существует представление, что интерфазная ги­бель – это ускорение естественной, генетически запрограммированной гибели клеток. Первоначально под влиянием фермента эндонуклеазы разрушается ДНК, а вслед за этим происходит невосстанавливаемое нарушение це­лостности клеточных мембран. Такая форма гибели на­блюдаете не только при радиационном облучении, но и при действии на клетку УФ-лучей, кортикостероидных гормонов и некоторых лекарств. Следовательно, фактор радиации не имеет каких-либо особых отличий от физио­логических факторов, запускающих биологические про­цессы. Вероятно, клетки способны переводить любые молекулярные события, возникшие под действием раз­личных внешних факторов, на стандартный язык внутри­клеточных сигналов.

Репродуктивная и интерфазная формы гибели облучаемых клеток являются причиной радиационного поражения высших организмов. При этом в связи с гибелью лимфо­цитов опустошаются органы иммунной системы поочеред­но в две волны. Раннее опустошение возникает в резуль­тате интерфазной гибели. Более позднее наступает попричине репродуктивной гибели клеток. Репродуктивной гибели, как было сказано, подвержены все интенсивно., обновляющиеся ткани. В их число входят кроветворная, иммунная, генеративная ткани, слизистые ткани кишечника и т.д. Именно их поражение составляет наиболь­шую часть патологического процесса, который называют лучевой болезнью.

Более целостную картину общего лучевого пораже­ния организма в зависимости от дозы мы рассмотрим с помощью табл.1.

Табл.1 Шкала биологических эффектов при общем облучении

Одна­ко и на данной схеме шкала биологических эффектов пострадиационного действия минимальна. Помимо этих эффектов, имеются и другие — различные нарушения функций иммуноцнтов, количественного соотношения различных форм иммуноцнтов при их кооперативных взаимодействиях, радиационное старение облученных органов, иммунной системы и т. д.

При этом следует сказать, что для всех ионизирующих излучений принято различать три дозы Поглощенную дозу определяют по количеству, энергии, поглощенной облучаемым объектом, и выражают в греях. Экспозиционную определяют по ио­низационному эффекту в воздухе при нормальных условиях и обозначают «кулон на кг» Эквивалентную определяю по биологическим эффектам и выражают в зивертах.

В таблице № 2 приведены единицы измерения ука­занных доз в международной системе единиц-—СИ и соотношение их с внесистемными (производными) еди­ницами.

Особо следует оговорить соотношение единиц поглощенной, экспозиционной и эквивалентной доз для гамма- и рентгеновского излучений, где 1 Гр=1 ЗБ, а 1 рад= 1 бэр. В связи с тем что степень поражаемости (радиочувствительность) биологических объектов определяется поглощенной дозой излучения и восприим­чивостью данного объекта к действию радиации, дозы на рис. 1 в основном тексте выражены нами в греях.

Табл.2

Радиационное поражение иммунной системы

Для того чтобы разобраться в особенностях действия радиации на различные звенья иммунной системы, нам необходимо ответить на вопрос - каким образом определяют радиочувствительность биологических объектов. Считают, что радиочувствительность зависит от поглощенной дозы и восприимчивости биологического объекта к радиации. Ее оценивают на разных биологических уровнях по-разному.

Радиочувствительность на уровне организма, к при­меру, оценивают с помощью,ЛД_50/30 - летальной дозы, вызывающей гибель 50% облученных организмов в тече­ние 30 дней после облучения; на уровне клеток с помо­щью дозы, обозначаемой Д₃₇. Дело в том, что радийочувствительность клеток удобнее ^: всего измерять в дозах, при которых на одну клетку в среднем приходится одно смертельное попадание частиц или квантов энергии. Но из-за того что попадания распределяются случайно, не­которые клетки поражаются дважды или трижды, а дру­гие вообще остаются непораженными. По законам статистики таких непораженных клеток оказывается -37%. Поэтому Д₃₇ взята за критерий оценки радночувствительности клеток. Для гибели клеток любых типов в мо­мент деления Д₃₇ примерно одинакова и составляет 1 Гр. Аналогичная доза и для лимфоцитов, вступающих в деление. Чувствительность интерфазных (покоящихся) клеток разнообразнее, поэтому Д₃₇ для них варьирует от 0,5 до 3 Гр.

Если говорить о дозе, то радиационная гибель клеток заметно проявляется в пределах 1 Гр. По мере уве­личения дозы число погибающих клеток нарастает вплоть до 6—7 Гр. После этого в организме остаются только радиоустойчнвые клетки лимфоидных тканей - макрофаги, элементы стромы ( эпителъные и соединительнотканные клетки), составляющие каркас органов, а также некоторая часть функционально зрёлых лимфоци­тов, неуязвимых для радиации.

Если говорить о времени, то лимфоциты погибают в несколько этапов. Впервые сутки (спустя 6 - 12 часов) после облучения начинается интерфазная гибель клеток, которая приводит к весьма ощутимым последствиям. По мере гибели клеток уменьшаются размеры всех лимфоидных органов. Они как бы опустошаются, хотя их ткане­вый каркас сохраняется полностью. Вслед за этим начи­нается второй этап опустошения лимфоидных органов. Он идет в течение, последующих 3—4 суток, но значи­тельно медленнее. На этом этане причиной опустошения становится репродуктивная гибель делящихся клеток. Деление клеток в этом случае провоцируется притоком различных (микробных) антигенов, нашествие которых усиливается в связи с нарушением естественных барье­ров (кожи, слизистых тканей и т. д.).

Радиационное нарушений барьерных функций кожи и слизистых, строго говоря, не имеет прямого отно­шения к иммунной системе. Но это обстоятельство свидетельствует о том, насколько важны цело­стность и сохранение взаимосвязей различных систем для общей безопасности организма.

Радиационное нарушение естественных барьеров наводнение организма бактериальной флорой и пе­реход большинства лимфоцитов к делению создают са­мый драматический период в отношениях между лимфо­цитами м радиацией. Только через 3 - 4 дня меняется си­туация. При относительно переносимой дозе она меняет­ся к лучшему. Клетки, не задетые или слабо задетые ра­диацией; перейдя в фазу покоя, могут развиваться даль­ше, переходить в фазу зрелости, а в дальнейшем и вы­полнять свои иммунологические функции. Потомки В-лимфоцитов (антителопродуценты) начинают выде­лять антитела, Т-киллеры—активно разрушать клетки - мишени,а Т-хелперы - синтезировать и выделять необ­ходимые для межклеточного взаимодействия регуляторные белки (интерлейкины и т. д.).

На стадии функциональной зрелости лим­фоциты, как правило, устойчивы к радиации даже в дозе нескольких десятков греев. В этом состоянии им не гро­зит интерфазная гибель, а опасность репродуктивной гибели они миновали.

Однако ситуация меняется при полу­чении труднопереносимых доз облучения. Иммунной си­стеме очень трудно возместить колоссальные потери. Поэтому всякий раз, когда облученные лимфоциты ата­куются массой антигенов, на карту ставится не только жизнеспособность лимфоидных клеток, но и жизнь само­го организма.

Говоря об интерфазной и репродуктивной гибели лимфоцитов мы, по существу, обсуждаем радио­чувствительность двух фаз жизненного цикла этих кле­ток— фазы покоя и фазы деления, хотя фаза по­коя—понятие весьма относительное. В этот период жизненного цикла клетки либо дифференцируются, т. е созревают переходя от одной стадии развития к другой, либо, достигнув стадии зрелости; выполняют свои пря­мые функциональные обязанности. Как видим, радиочувствительность разных стадий развития может отличаться весьма значительно. Проил­люстрируем это на примере _:Т—клеток. Самые юные фор­мы Т-клеток, ранние тимоциты и самые радиоустойчивые. Благодаря им организм, попадая в тяжелые ситуа­ции, оказывается небезоружным при восстановлении облученной популяции Т-клеток. Клетки следующей стадии— кортикальные тимоциты, напротив, самые радиочувствительные клетки иммуннои системы, а может.быть, и всего организма. Они необыкновенно хрупкие и поэто­му при любых стрессовых ситуациях поражаются первы­ми. Даже в норме большая их часть погибает, не выходя из тимуса. На следующей стадии развития, перед встре­чей с антигеном, клетки хотя и радиочувствительны еще, но намного меньше, чем корковые тимоциты.

При сравнительном изучении радиочувствительности иммуноцитов выявилось, что В-лимфоциты, ответствен­ные за образование антител более радиочувствительны, чем Т-лимфоциты, а среди них Т-хелперы._: (особенно те, которые участвуют в реакциях клеточного, а не гуморального иммунного ответа). Именно Т-лнмфоциты обна­руживаются среди немногочисленных выживших лимфо­цитов в лимфоидных органах после действия высоких доз радиации (десятки греев). Отметим, что популяций В-клеток более однородны по радиочувствительности, не­жели Т-клетки.

Отсюда и разная степень поражения клеточных и гуморальных форм иммунного ответы, ведь он определяется радиочувствительностью клеток, ответ­ственных за эти формы ответа-(рис. 1).

Рис1.Радиочувствительность различных типов иммунного ответа

Иммунологические реакции, в основе которых лежит ответ В-лимфоцитов (образование антител), сильнее страдают от радиации, чем Т – клеточные реакции. Более уязвимой оказывается антибактериальная защита, свя­занная с продукцией антител, и менее — противовирус­ная защита, зависимая от Т-лимфоцитов. Однако нет правил без исключения, о чем свидетельствуют и супрессорные клетки. Их нестимулироваиные антигенами пред­шественники ничем не отличаются по радиочувствитель­ности, от большей части других Т-клеток. После же контакта с антигенами и созревания в функционально ак­тивные формы Т-супрессоры оказываются в особом по­ложений. Вместо того чтобы после стимуляции стать радиоустойчивыми, они сохраняют довольно высокую радиочувствительность. Поэтому большая их часть поги­бает при дозах 4 - 6 Гр.

Довольно устойчивы к радиации естественные киллеры (ЕК-клеткик) ответственные за противоопухолевый иммунитет. Д₃₇ для них находится в пределах 7—8 Гр. Им не нужен предварительный контакт с антигенами, чтобы выполнить функцию клеток-убийц или приобрести радиоустойчивость.

Клетки памяти более радиоустойчивы, чем «девственные>, не контактировавшие с антигеном, лимфоциты. Этим объясняется большая радиоустойчивость вторичного иммунного ответа по сравнению с первичным иммун­ным ответом.

Однако разница между радиочувствитель­ностью девственных лимфоцитов и. клетками памяти не столь велика, чтобы, ею можно было объяснить различия между радиочувствительностью первичного и вторичного ответов. Этот процесс, оказалось, зависит не только от особенностей клеток, но и от высокой оснащенности вто­ричного ответа. Дело в том, что в наличии всегда оказы­вается гораздо больше клеток, чем требуется для эффек­тивного иммунного ответа. Поэтому гибель какого-то про­цента клеток до определенного момента почти не сказы­вается на уровне иммунного ответа.

При облучении очень уязвимыми оказываются все процессы, связанные с межклеточными контактами. Без кооперативного взаимодействия между Т-В-А- клетками практически, не обходится ни одна реакция иммунного ответа. Существует два вида межклеточного взаимодей­ствия - гуморальный (дистанционный) и клеточный (контактный). При облучении сильнее, поражается вто­рой, что связано со специфическим нарушением рецеп­торных систем клеточных мембран. Мы уже упоминали, что В-клетки не всегда способны в одиночку справиться с тем или иным очагом заболевания. И тогда к ним на помощь спешат Т-клетки, чтобы контактным способом завершить иммунный процесс. Однако очень часто про­цесс прерывается, так как чем сильнее задействованы межклеточные контакты в иммунных реакциях, тем силь­нее на них действует облучение. Иммунный ответ в значительной степени зависит от того, когда произошла встреча иммуноцитов с антигенами – до и после облучения. В эксперименте эти процессы изучают на животных, проводя их иммунизацию, т.е вводят им антигены.

При облучении, нарушается процесс, избирательного проникновения лимфоцитов из кровяного русла в лимфоидные органы. В этом случае нарушается, как говорят иммунологи «домашний нстинкт» лимфоцитов, т. е. их способность находить свой дом (лимфоидные органы). Причина – в нарушении мембранных систем распозна­вания этих клеток. Нарушается путь миграции лимфоцитов в лимфоузлы кишечника, дыхательных путей и т. д., хотя в селезенку путь, остается свободным, что объясня­ется своеобразным строением ее капилляров. Поэтому и возникает такая ситуация, когда лимфоциты беспрепятственно проникают в селезенку, но не могут мигрировать в лимфоузлы. А это для них очень важно, ибо именно в лимфоузлах они рекрутируются, призываются на службу для защиты организма от внешней и внутренней агрес­сии. Поэтому подавление иммунного ответа в лимфоуз­лах выражено сильнее, чем в селезенке.

После облучения иммунитет подавляется в результа­те поражения иммуноцитов и проявляется в снижении максимальных показателей иммунных реакций (титра антител, активности киллеров) и замедлении темпов по установлению «нового максимального уровня» этих пока­зателей. Все это оказывает вредное влияние на защит­имые функции, особенно от внешней биологической аг­рессии. Облученная иммунная система не в состоянии дать надлежащий отпор микробам, наполняющим орга­низм после облучения. Продукты жизнедеятельности микробов, оказывают на организм дополнительное иммунодепрессивное действие. Ситуация осложняется и тем, что наряду с патогенной флорой начинает активизиро­вать и проявлять патогенные свойства облигатная (безвредная или частично полезная) микрофлора, до того мирно обитавшая в дыхательном и пищеварительном трактах и на коже. Таким образом формируются вторичные иммунодефицитные состояния, причина которых так называемые оппортунистические инфекции.

Проблема перехода облигатных микробов в условно-патогенное состояние становится все более острой в свя­зи с ухудшением экологической обстановки в окружаю­щей нас среде. И роль радиации здесь, как мы знаем, значительна.

В радиационной иммунологии при обсуждении радио­чувствительности чаще всего речь идет о радиационной гибели клеток. В действительности же дело не исчерпывается только тем, выживет клетка или погибнет. Ведь выжившие после облучения клетки не всегда сохраняют свою функцию. Как правило, нарушается биоэнергетиче­ский потенциал клеток, работа ядерного аппарата, мем­бранных систем и т. д. Полное выздоровление у облученных клеточных популяций наступает редко, а восстановление их функциональных качеств обычно сопряжено с их количественным обновлением. Функциональные нару­шения без гибели более характерны для макрофагов и других вспомогательных клеток иммунной системы.

Не вызывает никаких сомнений снижение устойчиво­сти к возбудителям инфекций (инфекционного иммуните­та). А вот действие радиации на противоопухолевый им­мунитет сложнее. Хотя облучение и повышает частоту появления опухолей, однако развиваются они в более поздние сроки.

Кратко рассмотрим результаты радиационного воз­действия на аутоиммунные процессы. С первого взгляда кажется неожиданным: почему на фоне общего уровня аутоиммунных процессов активизируются реакции, на­правленные против антигенов собственных клеток и тка­ней. В норме терпимость (толерантность) к собственным антигенам надежно обеспечивается механизмами цен­тральных и периферических органов иммунной системы.

В момент созревания лимфоцитов на уровне централь­ных органов формируется первый щит - выбраковка клеточных клонов, направленных против собственных антигенов. Второй щит — запрет на реакции против своих антигенов осуществляется супрессорами, которые накла­дывают свое «вето» на конфликт между иммунной системой и клетками собственного тела. Но радиация, пора­жает оба щита, нарушает законы толерантности. В ре­зультате наблюдается деструкция тканей и органов тела, аутоантигены высвобождаются из-под влияния естест­венных взаимосвязей, ослабляется реакция на «чужое» и усиливается реакция на «свое». А это означает, что ра­диация не просто подавляет иммунитет она извращает согласованную работу иммунной системы, нарушает ос­новы ее деятельности..

Все рассказанное позволяет нам сделать следующие обобщения. Поражение клеток, приводящее к их гибели или снижению функциональной активности, — вот при­чина ослабления иммунитета. Самые радиочувствитель­ные — лимфоциты. Среди и субпопуляций и лимфоцитов существуют свои внутренние различия. В-лимфоциты более чувствительны к облучению, чем Т-лимфоциты. В пределах популяции Т-клеток обнаруживаются различия. Самые радиоустойчивые из них Т-хелпер, а самые радиочувствительные Т-суппрессоры. К радйоустойчивым принадлежат также естест­венные киллеры и магкрофаги. Большая часть лимфоци­тов при облучении гибнет в интервале от 0,5 до 6 Гр. В первые сутки гибнут в основном интерфазные клетки, а в следующие 3—4 суток (как правило, в присутствии антигена) гибнут делящиеся клетки.

Всё лимфоциты (кроме супрессоров) после контакта с антигеном и достижения зрелой (эффекторной) стадии приобретают повышенную радиоустойчивость. В резуль­тате облучения наиболее поражаемым оказывается противоннфекционный иммунитет. Противоопухолевый им­мунитет также поражается, но последствия обнаружива­ются лишь спустя продолжительное время. Аутоиммунитет в отличие от двух первых, напротив, усиливается. Несмотря на относительно высокую радиочувствительность лимфоцитов, иммунная система самая уязвимая среди других систем организма в пре­делах доз не выше среднелетальных именно от иммунной системы, ответственной за индивидуальную целостность конкретного организма.