Чувствительность органов и тканей к воздействию ионизирующего излучения

Диапазон видовых различий Р. организмов весьма широк и измеряется несколькими порядками. Не меньше различий Р. отмечается у разных клеток и тканей. Наряду с радиочувствительными (система крови, кишечник и половые железы) существуют так называемые радиоустойчивые, или радиорезистентные, системы и ткани (костная, мышечная и нервная).

Радиочувствительность варьирует в пределах одного вида в зависимости от возраста — возрастная Р. (так, наиболее радиочувствительными являются молодые и старые экспериментальные животные, наиболее радиорезистентными — половозрелые и новорожденные), от пола — половая Р. (как правило, самцы более радиочувствительны) и индивидуальная Р. у разных особей одной или той же популяции. Менее изучены сезонные и суточные колебания радиочувствительности.

Чтобы понять механизмы, определяющие естественную Р. организма (без чего невозможно правильно оценить последствия облучения человека), необходимо последовательно рассмотреть клеточные и тканевые аспекты Р., так как Клетка — основная биологическая единица, в которой реализуется воздействие поглощенной при облучении энергии, что в последующем приводит к развитию лучевого поражения. Среди многих проявлений жизнедеятельности клетки наиболее чувствительна в отношении ионизирующего излучения ее способность к делению. Под клеточной гибелью (или летальным эффектом) в радиобиологии понимают утрату клеткой способности к пролиферации, а выжившими считают клетки, сохранившие способность к неограниченному размножению. В зависимости от связи летального эффекта с процессом деления различают две основные формы радиационной гибели клеток: интерфазную (до деления клетки или без него) и репродуктивную (после первого или нескольких последующих циклов деления). Для большинства клеток, в т.ч. и для клеток многих млекопитающих, характерна репродуктивная форма лучевой гибели, основной причиной которой являются структурные повреждения хромосом (Хромосомы), возникающие в процессе облучения. Они обнаруживаются с помощью цитогенетических методов исследования на разных стадиях митоза (чаще в анафазе или метафазе) в виде так называемые хромосомных перестроек, или аберраций. Гибель таких аберрантных клеток или их потомков происходит вследствие неравномерного разделения или частичной утраты жизненно необходимого генетического материала из-за неправильного соединения разорванных хромосом или отрыва их фрагментов. Определение доли клеток с хромосомными аберрациями часто используют в качестве надежного количественного показателя радиочувствительности, т.к. с одной стороны, число таких поврежденных клеток четко зависит от дозы ионизирующего излучения, а с другой — отражая его летальное действие, этот критерий хорошо коррелирует с количеством погибающих клеток, оцениваемым по снижению способности к клонообразованию.

Интерфазная гибель клетки наступает до вступления в митоз, и для большинства клеток такая гибель возможна лишь при очень больших дозах. Однако для некоторых клеток, например малодифференцированных кроветворных элементов и лимфоцитов, интерфазная гибель происходит уже при относительно низких дозах облучения. Клетки, погибающие таким путем, могут быть выявлены через 2—6 ч после облучения с помощью обычных цитологических методов исследования по различным изменениям (чаще по пикнозу ядра и фрагментации хроматина). Подсчет таких клеток также используют в качестве количественного показателя степени лучевого поражения.

Молекулярным субстратом, ответственным за гибель клетки, являются ДНК и ее комплексы с белками и ядерной мембраной. Разработаны молекулярно-биологические методы количественной оценки повреждения ДНК, используемые при изучении механизмов лучевого поражения клеток и восстановления их жизнеспособности. Последнее обусловлено явлением репарации ДНК, осуществляемой специальной системой ферментов. Эффективность репарации ДНК, по современным представлениям, имеет определяющее значение в клеточной радиочувствительности.

Закономерности реакций клеток на облучение сохраняются и при облучении организма, суммарная радиочувствительность которого определяется Р. тканей, органов и систем, непосредственно подвергающихся облучению. Однако тканевую, а тем более органную и системную Р. нельзя рассматривать как простую сумму клеточных эффектов. На тканевую Р. большое влияние оказывают дополнительные факторы: кровоснабжение, объем облучаемых тканей, гомеостатический контроль регулирующих систем. Все это усложняет оценку тканевой Р., но не отвергает принципиального и ведущего значения цитокинетических параметров, определяющих тип и меру лучевых реакций на всех уровнях биологической организации. Именно цитокинетическая характеристика, а точнее пролиферативная активность кроветворной системы, эпителия слизистой оболочки кишечника и клеток половых желез (типичных систем клеточного обновления) является причиной их высокой Р. Напротив, низкий темп физиологической регенерации или ее отсутствие, свойственные костной, мышечной и нервной системе, а также печени, обусловливает их относительную радиорезистентность.

Радиочувствительность организма может быть охарактеризована на примере острой лучевой болезни (Лучевая болезнь), возникающей после общего однократного равномерного внешнего облучения. В этом случае радиационному воздействию одновременно подвергаются все системы, органы и ткани, что позволяет сопоставить картину поражения с поглощенной дозой в так называемых критических органах. Между дозой излучения, выживаемостью и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость, определяемая различиями в Р. отдельных жизненно важных систем, поражение которых проявляется в виде характерных синдромов: кроветворного (костномозгового), кишечного и церебрального. Кроветворный синдром развивается у большинства млекопитающих при общем облучении в дозах 5—10 Гр. Смерть наступает между 2-й и 4-й неделями аплазии кроветворной ткани. Кишечный синдром отмечают при дозах излучения 10—100 Гр, он заканчивается летальным исходом на 4—7-й день после облучения. При облучении в дозах 150 Гр и более гибель наступает от церебрального синдрома в первые сутки или часы после облучения. При дозе излучения, превышающей 1 кГр, экспериментальные животные погибают мгновенно вследствие денатурационной инактивации клеток («молекулярная» гибель).

Радиочувствительность костного мозга является основным фактором, определяющим общую Р. организма млекопитающих. Именно гибель его клеток определяет смертельный исход. Характеризуя Р. организма человека и млекопитающих, обычно имеют в виду дозы, вызывающие их гибель при явлениях кроветворного синдрома.

Что касается тканей и органов, отнесенных к радиорезистентным, то нельзя сказать, что они совсем не реагируют на воздействие ионизирующего излучения. И в клетках непролиферирующих тканей под влиянием облучения возникают повреждения хромосом, не реализуемые, однако, из-за отсутствия клеточного деления, а потому и не сказывающиеся на жизнеспособности покоящихся клеток. Но если искусственно вызвать пролиферацию таких клеток (например, клеток печени путем частичной ее резекции), то оказывается, что они как бы запомнили радиационное воздействие и в делящихся элементах регенерирующего органа легко обнаруживаются хромосомные аберрации, причем количество таких поврежденных клеток на единицу дозы такое же, как и в клетках радиочувствительных органов. Есть основания полагать, что «консервация» радиационного поражения хромосом в клетках органов и систем, характеризующихся низким уровнем физиологической пролиферации, является причиной их функциональной неполноценности в отдаленные сроки после облучения; это способствует сокращению продолжительности жизни и развитию злокачественных опухолей.

Искусственное изменение, или управление, Р. осуществляется как в сторону ее снижения (Противолучевая защита), так и повышения — так называемая радиосенсибилизация (см. Радиомодификация). Физические и химические агенты, используемые для противолучевой защиты, получили название радиопротекторов, а применяемые для сенсибилизации к излучению — радиосенсибилизаторов (см. Радиомодифицирующие агенты).

Важным средством управления радиочувствительностью, в т.ч. с целью направленной кодификации Р. нормальных и опухолевых тканей при лучевой терапии (Лучевая терапия), является регуляция парциального давления (напряжения) кислорода в тканях, т.к. их радиочувствительность увеличивается при повышении и уменьшается при понижении напряжения кислорода (см. Радиомодифицирующие агенты).